Биохимия растений

поксантин и ксантин. Металлосодержащий флавиновый ферме˝нт

ксантиноксидаза (1.2.3.2) окисляет гипоксантин в ксантин и далее ксантин в мочевую кислоту. Коферментом в молекуле этого ф˝ермента является ФАД, ассоциированный с одним атомом молибд˝е- на и четырьмя атомами железа. Всего в димерной молекуле фе˝р- мента содержится два ФАД, два атома молибдена и восемь ато˝мов железа.

У человека мочевая кислота является конечным продуктом р˝ас-

пада пуринов, который выводится из организма. Однако у мно˝гих

других организмов, включая растения, мочевая кислота окис˝ляется в аллантоин. Эту реакцию катализирует медьсодержащий ф˝ер-

ìåíò уратоксидаза (1.7.3.3).

531

Аллантоин в значительном количестве содержится в пророс˝т- ках, молодых побегах и пасоке некоторых растений. С участи˝ем фермента аллантоиназы (3.5.2.5) аллантоин гидролизуется с образованием аллантоиновой кислоты, которая также широко рас˝про-

странена в растениях. В клетках растений, плесневых грибо˝в и многих рыб аллантоиновая кислота гидролитически разлаг˝ается

на мочевину и глиоксиловую кислоту. Эту реакцию катализир˝ует фермент аллантоиказа (3.5.3.4).

Таким образом, пуриновые основания в растительных клетка˝х

в результате гидролитических и окислительных реакций та˝к же,

как и в орнитиновом цикле, превращаются в мочевину, котора˝я

может затем использоваться в метаболизме азотистых веще˝ств по уже известным нам механизмам. Следует отметить, что при вы˝со-

ком содержании в пище человека или кормах животных нуклеи˝-

новых кислот в результате диссимиляции пуриновых нуклео˝тидов

образуется много мочевой кислоты, которая у этих организм˝ов яв-

ляется конечным продуктом распада пуриновых оснований. П˝ри этом создается опасность возникновения мочекаменных за˝болева-

ний, вызванных отложением натриевых и кальциевых солей мо˝че-

вой кислоты.

12.9.РАСПАД БЕЛКОВ

Âрастительном организме постоянно происходят процессы˝ синтеза и распада белков. Особенно интенсивному обмену по˝д-

вергаются функционально активные белки, и прежде всего бе˝лки-

ферменты. По мере инактивации ферментных белков их молеку˝-

лы гидролитически расщепляются протеолитическими ферме˝нтами. Кроме того, существуют специальные механизмы биодеградации и других функционально активных белков — регулятор˝ных, транспортных, иммуноспецифических и др. В активно функцио˝-

нирующих клетках синтез белков и их деградация находятся˝ в ди-

намическом равновесии. Процесс восполнения белковых мол˝е- кул, подвергнутых деградации, называют обновлением белков.

Процессы распада белков активизируются при старении рас˝тений, когда интенсивность синтеза в них азотистых веществ ˝ослаб-

ляется, но усиливается расщепление белков листьев и други˝х веге-

тативных органов до аминокислот, которые перемещаются в р˝епродуктивные органы и используются в них для образования с˝труктурных, ферментных и запасных белков.

Интенсивное расщепление запасных белков происходит при˝

прорастании семян, клубней, корнеплодов. В их тканях очень˝ быстро нарастает активность протеолитических ферментов˝, под

действием которых молекулы запасных белков деградируют до

пептидов и свободных аминокислот, необходимых для новооб˝ра-

532

зования азотистых веществ в тканях проростков. Высокая протеолитическая активность обнаруживается также в дрожжах и п˝лес-

невых грибах.

Процессы распада белков и других веществ усиливаются при˝ повреждении тканей растений. В неповрежденных тканях инт˝енсивно проходит обмен веществ и процессы синтеза преоблад˝ают

над распадом. Как было указано ранее, для осуществления би˝о-

синтеза белков необходимо поддержание целостности внут˝риклеточных структур, а при их деградации новообразование белк˝овых

молекул прекращается. Протеолитические ферменты способ˝ны

функционировать в жидкой физиологической среде в раство˝ренном состоянии. При этом для осуществления распада белков ˝не

требуется большого количества энергии, наоборот, в таких ˝усло-

виях свободная энергия уменьшается, что свидетельствует˝ о возможности самопроизвольного хода указанных реакций.

Распад белков начинается со структурной деградации их мо˝ле-

кул под действием специфических редуктаз, расщепляющих д˝и- сульфидные связи, что также приводит к разрыву части водо˝род-

ных связей и обеспечивает более легкую доступность к изме˝нен-

ной молекуле белка протеолитических ферментов, которые г˝идролизуют белковые полипептиды до свободных аминокислот.

Протеолитические ферменты, или протеазы, подразделяются˝ на

две группы: протеиназы и пептидазы.

Ï ð î ò å è í à ç û — однокомпонентные ферменты, катализи-

рующие расщепление пептидных связей в белках и пептидах с˝

образованием более низкомолекулярных полипептидных фрагментов и определенного количества свободных аминокислот.

Большинство протеиназ действуют направленно, расщепляя˝ пептидные связи, соединяющие определенные аминокислотные р˝а- дикалы. Например, хорошо известная растительная протеина˝за папаин подвергает гидролизу преимущественно пептидные связи, в образовании которых участвуют радикалы основных, алифа˝ти- ческих и ароматических аминокислот. Протеиназа, выделяем˝ая слизистой оболочкой желудка человека и называемая пепсином, избирательно катализирует гидролиз пептидных связей, со˝единяющих в белках и пептидах остатки тирозина и фенилаланина ˝с другими аминокислотными радикалами.

В растениях различают два вида протеиназ. Одни из них содержат в активном центре сульфгидрильную группу (НS-группу) и˝

поэтому их называют т и о л о в ы м и п р о т е и н а з а м и.

Другие растительные протеиназы не содержат в активном це˝нтре

тиоловых группировок, и они по строению каталитического ц˝ентра имеют сходство с протеиназами животного происхождени˝я —

пепсином и трипсином.

533

Характерное свойство тиоловых протеиназ — их способнос˝ть активироваться цианидами и сульфгидрильными соединения˝ми, содержащими НS-группы (цистеин, восстановленный глютатио˝н и др.). Указанные соединения переводят окисленную форму фе˝р-

мента в восстановленную, которая и обладает гидролитичес˝кой активностью. Схематически процесс восстановления тиоловых

протеиназ можно представить следующим образом:

Под действием окислителей фермент переходит в окисленну˝ю

дисульфидную форму.

Типичными представителями этих ферментов являются папаин, выделенный из сока плодов дынного дерева; бромелаин, ïîëó-

ченный из плодов и стеблей ананаса; фицин, содержащийся в

млечном соке фигового дерева. В листьях многих растений н˝ай-

дены протеиназы, активируемые сульфгидрильными соедине˝ни-

ями. К тиоловым протеиназам также относятся многие протео˝- литические ферменты, выделяемые из пшеничного солода. Из

семян и плодов многих растений выделены также н е т и о л о -

в ы е п р о т е и н а з ы. К ним относятся арвенсин из семян го-

ðîõà; арахаин, содержащийся в семенах арахиса; соланаин, âûäå-

ленный из плодов паслена. К этой же группе ферментов относ˝ятся протеиназы многих грибов.

Пептидазы катализируют гидролиз пептидных связей в пептидах. Существует три разновидности этих ферментов: аминопе˝птидазы, карбоксипептидазы и дипептидазы.

А м и н о п е п т и д а з ы гидролитически отщепляют от молекул пептидов N-концевые аминокислотные остатки, образуя соот-

ветствующие аминокислоты:

К а р б о к с и п е п т и д а з ы отщепляют аминокислотные остатки от С-концов полипептидов:

534

Д и п е п т и д а з ы осуществляют гидролиз пептидной связи в

дипептидах:

Известны различные дипептидазы. Так, например, глицилглицинпептидаза (3.4.13.11) гидролизует дипептид глицилглицин на

две молекулы глицина, а фермент пролиназа (3.4.13.8) расщепляет

дипептиды, у которых в образовании пептидной связи участв˝ует карбоксильная группа пролина.

Пептидазы в большинстве своем металлосодержащие фермен˝-

ты, которые могут проявлять каталитическую активность при

различных условиях физиологической среды в зависимости˝ от

локализации в органах и тканях растений и клетках других ˝организмов. При совместном действии всего комплекса протеолити-

ческих ферментов белки гидролизуются до свободных амино˝кис-

лот, которые могут быть снова использованы для образовани˝я

белковых молекул, синтеза нуклеотидов и других азотистых˝ веществ или включаться в процессы распада по уже известным ˝нам механизмам.

Сведения об активности протеолитических ферментов имею˝т

важное практическое значение, особенно при оценке качест˝ва

продукции зерновых культур. На ранних стадиях созревания˝ зерновок злаковых культур в них наблюдается высокая активно˝сть протеолитических ферментов. Однако при созревании в зерн˝овках усиливается синтез белков — эндогенных ингибиторов про˝теаз,

которые связывают ферментные белки в неактивные комплек˝сы, в

результате чего к моменту полного созревания зерна в нем ˝почти

не обнаруживается протеолитическая активность. Связыва˝ние

протеаз в неактивные комплексы может также осуществлять˝ся за-

пасными белками зерна и мембранными структурами клеток.

Однако при влажных условиях во время созревания зерна ос-˝ лабляется синтез запасных белков и белков — ингибиторо˝в проте-

535

аз, вследствие чего к концу созревания в зерновках остается повышенная протеазная активность. И если такое зерно исполь˝зуется для выпечки хлеба, то в процессе формирования теста п˝од действием протеолитических ферментов происходит значит˝ель-

ная деградация молекул запасных белков, что приводит к ос˝лаблению клейковинного комплекса. В результате понижается газо-

удерживающая способность и усиливается разжижение тест˝а, вследствие чего снижается качество выпекаемого хлеба. Пр˝и ис-

пользовании зерна с повышенной протеазной активностью д˝ля

производства макарон и крупы также наблюдается ухудшени˝е ка-

чества этих продуктов вследствие ослабления комплекса к˝лейко-

винных белков.

При поражении зерна клопом-черепашкой ухудшение его ка-

чества происходит в результате того, что эти насекомые вв˝одят в

созревающие зерновки активный комплекс протеолитически˝х

ферментов, вызывающих деградацию белков зерна, и прежде в˝сего

клейковинных белков. От действия протеолитических ферме˝нтов в значительной степени зависит и качество солода, который˝ полу-

чают из проросшего зерна.

Контрольные вопросы. 1. Какой нуклеотидный состав имеют ДНК и РНК? 2. Как установлена генетическая роль ДНК? 3. В чем состоят правила Чаргаффа? 4. Каково строение молекул ДНК? 5. В виде каких структурных об˝разований находятся молекулы ДНК в хромосомах высших и низших организ˝мов? 6. Каковы строение и биологическая роль рибосомной, транспортной и˝ матричной РНК? 7. Как был расшифрован генетический код? 8. Какими основными свойствами обладает генетический код? 9. Каково биологическое значение вырожденности генетического кода? 10. Каков механизм синтеза (репликации) ДНК? ˝11. Какие известны сведения о ферментах, катализирующих синтез ДНК? 12. Како˝ва вероятность ошибок при синтезе ДНК и как осуществляется защита от эти˝х ошибок? 13. В чем заключается механизм транскрипции? 14. Какие биохимически˝е реакции происходят в ходе транскрипции? 15. Каковы особенности синтеза ма˝тричной, рибосомной и транспортной РНК? 16. Как осуществляется регуляция˝ синтеза РНК? 17. Каков механизм процессинга в ходе образования функцион˝ально активных молекул РНК? 18. Какова роль рибосомных, матричных и транспо˝ртных РНК в синтезе белковых полипептидов? 19. Как осуществляются проц˝ессы образования полипептидов с участием функционально активных рибосом˝? 20. По каким механизмам возможен перенос генетической информации от РНК к˝ РНК и от РНК к ДНК? 21. Какие биохимические превращения происходят при син˝тезе пиримидиновых и пуриновых нуклеотидов? 22. Как происходит образован˝ие дезоксирибонуклеотидов? 23. С участием каких ферментов происходит расп˝ад нуклеиновых кислот и нуклеотидов и какие при этом образуются промежут˝очные и конечные продукты? 24. Какие биохимические механизмы реализуются в х˝оде распада белков? 25. Каковы особенности действия ферментов, катализирую˝щих распад белков? 26. Как влияют протеолитические ферменты на качество ра˝стительной продукции?

536

13. ВЕЩЕСТВА ВТОРИЧНОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ

∙

В растениях существуют специальные ответвления биохими- ческих путей для синтеза целого ряда веществ, которые, как˝ правило, не подвергаются интенсивному метаболизму и определ˝яют специфику обмена веществ как у отдельных групп растений, ˝так и

у растений в целом. Эти химические соединения принято наз˝ы- вать веществами вторичного происхождения èëè вторичными метаболитами.

Некоторые из них не накапливаются в растениях в больших количествах, но принимают активное участие в обмене вещес˝тв растительного организма. Например, убихиноны и пластохин˝оны,

относящиеся к указанной группе веществ, являются активны˝ми компонентами систем окислительного и фотосинтетическог˝о фосфорилирования. Известны вторичные метаболиты, которые ак˝тивируют ростовые процессы, обусловливают устойчивость ра˝стений к заболеваниям, выполняют защитные функции. Другие ве˝- щества вторичного происхождения могут накапливаться в в˝акуо-

лях и млечном соке, откладываться в коре, плодах и семенах, синтезироваться в специальных железах и волосках на пове˝рхности цветков и листьев растений.

Они содержатся в продуктивных органах многих растений и влияют на качество растительной продукции. Обладая тониз˝иру-

ющими свойствами, некоторые группы этих веществ определя˝ют вкусовые и пищевые достоинства растительной продукции (а˝лка-

лоиды, гликозиды, некоторые фенольные соединения). Другие˝ группы вторичных метаболитов находят применение в парфю˝мерии (эфирные масла, гликозиды), медицине (алкалоиды, гликоз˝и- ды, некоторые фенольные вещества), технике (растения, спос˝об-

ные накапливать каучук и гутту).

Рассмотрим наиболее важные и распространенные группы ве˝-

ществ вторичного происхождения: фенольные и терпеноидны˝е соединения, алкалоиды, гликозиды.

537

13.1. ФЕНОЛЬНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ

Фенольные соединения широко распространены в растениях˝.

Известно более 2 тыс. различных представителей этой групп˝ы ве-

ществ. Все они содержат в молекуле ароматическое ядро, в ко˝то-

ром один или больше атомов водорода замещены на гидроксил˝ь-

ные группы.

Некоторые фенольные соединения принимают активное учас˝-

тие в метаболизме растений. Уже известные нам пластохинон˝ы служат переносчиками электронов и протонов в электронтр˝анс-

портной цепи хлоропластов. Убихиноны выполняют аналогич˝ные

функции в системе окислительного фосфорилирования, лока˝ли-

зованной во внутренней мембране митохондрий. Важными фе-

нольными производными являются жирорастворимые витамин˝ы, токоферолы, менахиноны и филлохиноны. Оксикоричные кисло˝-

ты являются активаторами ростовых процессов у растений.

Другие разновидности фенольных соединений обладают Р-ви˝-

таминной активностью (катехины, некоторые флавонолы) или˝ ок-

рашивают плоды, листья, лепестки цветков (антоцианы, флаво˝ны и флавонолы). Некоторые фитоалексины, защищающие растени˝я

от патогенов, также относятся к производным фенолов. Поли˝фе-

нольные соединения служат веществами-антиоксидантами. О˝ни

быстро вступают во взаимодействие с кислородом и таким об˝ра-

зом защищают от окисления другие вещества в тканях растен˝ий. Фенольные группировки способны также гасить свободнора˝ди-

кальные реакции, происходящие в ходе окисления веществ. П˝о-

лимерные фенольные соединения (лигнин, дубильные веществ˝а)

выполняют структурную и защитную функции.

Различают три группы фенольных соединений: о к с и б е н - з о й н ы е к и с л о т ы, о к с и к о р и ч н ы е к и с л о т ы и к у м а р и н ы, ф л а в о н о и д н ы е с о е д и н е н и я. При

взаимодействии простых фенольных соединений образуются˝ их

полимерные производные: лигнин, дубильные вещества, меланины.

К важнейшим представителям оксибензойных кислот относя˝т- ся n-оксибензойная, протокатеховая, галловая, ванилиновая и с˝и-

реневая кислоты:

538

Протокатеховая и галловая кислоты содержатся в растения˝х как в свободном, так и в связанном состоянии, а n-оксибензойная,

ванилиновая и сиреневая кислоты являются продуктами рас˝пада

полимерного фенольного соединения — лигнина. Альдегидн˝ое

производное ванилиновой кислоты — ванилин в виде гликози˝да

содержится в плодах ванили. Как вещество, обладающее прия˝т- ным запахом, оно используется в кондитерской промышленно˝сти.

Ванилин также определяет аромат коньяка. Он образуется пр˝и

окислении кониферилового спирта, содержащегося в древес˝ном

материале дубовых бочек.

Оксикоричные кислоты встречаются в растениях как в свобо˝д- ном, так и в связанном состоянии. Наибольшей биологическо˝й

активностью обладают их öèñ-изомеры, которые активируют рос-

товые процессы. В связанном состоянии они могут с помощью˝

своей карбоксильной группы образовывать сложные эфиры с˝

шикимовой и хинной кислотами, а также некоторыми алифати- ческими кислотами. Основные оксикоричные кислоты расте-

íèé — n-оксикоричная (n-кумаровая), кофейная, феруловая и

синаповая кислоты:

539

Производные оксикоричных кислот — n-оксикоричный, конифериловый и синаповый спирты — участвуют в синтезе лигн˝ина:

Наряду с n-оксикоричной в растениях содержится также î-îêñè-

коричная кислота. Ее öèñ-изомер самопроизвольно превращается

в циклический лактон — кумарин:

Кумарин — душистое вещество с запахом сена, содержится в растениях в свободном виде, а также в виде глюкозида, испол˝ьзу-

ется в парфюмерии. Во многих растениях найдены гидроксили˝ро-

ванные производные кумарина, которые в виде гликозидов мо˝гут накапливаться в цветках и плодах растений. Наиболее извес˝тный из них — эскулетин:

Флавоноидные соединения являются производными флава-

на, молекула которого включает два бензольных ядра, с одни˝м

540