Биохимия растений

чего осуществляется синтез макроэргического фосфата, ко˝торый далее становится донором остатка фосфорной кислоты с мак˝роэргической связью для переноса на АДФ. В этой реакции синтез˝ АТФ катализирует специальный фермент — киназа, относящ˝ийся

к классу трансфераз:

Âанаэробной стадии дыхания субстратное фосфорилирован˝ие

происходит на этапе окисления 3-фосфоглицеринового альде˝гида

â3-фосфоглицериновую кислоту (см. с. 324—325) в цикле Кребса — при фосфоролизе сукцинилкофермента А (см. с. 335—336).

Âпроцессе анаэробного окисления углеводов макроэргиче˝ская

связь возникает также при дегидратации 2-фосфоглицеринов˝ой

кислоты (см. с. 325—326), которая сопровождается синтезом макро-˝

эргического фосфата — фосфоенолпировиноградной кисло˝ты, способной передавать остаток фосфорной кислоты с макроэрги˝че-

ской связью на АДФ и таким образом инициировать синтез АТ˝Ф.

У высших организмов важнейшим источником образования

АТФ является процесс окислительного фосфорилирования, л˝ока-

лизованный в митохондриях (см. с. 344—347). Во внутренней физиологической среде митохондрий активно протекают реак˝ции

цикла Кребса, в которых энергия окисления ацетилкофермен˝та А

и других промежуточных продуктов дыхания используется д˝ля

синтеза восстановленных динуклеотидов НАД · Н и ФАД · ˝Н. Эти

2

соединения становятся донорами электронов для системы п˝ере-

носчиков, локализованных во внутренней мембране митохон˝д-

рий. Конечными акцепторами электронов служат молекулы ки˝с-

лорода, которые, присоединяя электроны и протоны, образую˝т молекулы воды.

Процесс переноса электронов по системе переносчиков инд˝у- цирует сопряженный процесс переноса протонов через мемб˝рану

митохондрий. Накапливаясь на ее внешней поверхности, прот˝оны

создают трансмембранный электрохимический потенциал. П˝од действием АТФ-синтетазного ферментного комплекса, входя˝щего в структуру митохондриальной мембраны, энергия трансмем˝бранного электрохимического потенциала используется для си˝нтеза

АТФ из АДФ и неорганического фосфата.

В процессе окислительного фосфорилирования происходит ˝сле-

дующая цепочка энергетических и химических превращений˝. Вна- чале энергия окисления органических веществ в реакциях ц˝икла

Кребса затрачивается на синтез восстановленных динукле˝отидов,

затем энергия окисления восстановленных динуклеотидов ˝иниции-

171

рует создание электрохимического трансмембранного поте˝нциала, который уже служит источником энергии для синтеза АТФ.

У фотосинтезирующих организмов большое количество АТФ синтезируется в процессе фотосинтетического фосфорилир˝ова-

ния, локализованного в хлоропластах (см. с. 288—292). Первич- ным источником энергии для этого процесса служат кванты с˝вета,

которые поглощаются фотохимическими системами,и трансформируются в энергию восстановленных органических соедин˝ений,

служащих донорами электронов для системы переносчиков, н˝а-

ходящихся в составе хлоропластных мембран. В свою очередь,

транспорт электронов по цепи переносчиков индуцирует пе˝ренос

протонов через мембрану хлоропластов, создавая электрох˝имический трансмембранный потенциал. Энергия этого потенциала˝ ис-

пользуется АТФ-синтетазным комплексом для синтеза АТФ из˝

АДФ и неорганического фосфата. Механизм фотосинтетическ˝ого

фосфорилирования во многом сходен с механизмом окислите˝ль-

ного фосфорилирования. Исключение составляют первичные˝ источники энергии: для окислительного фосфорилирования ис˝поль-

зуются органические вещества, окисляемые в процессе дыхатель-

ных реакций, для фотосинтетического фосфорилирования —˝ свет.

7.5. ОБЩИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ БИОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ОРГАНИЗМАХ

Для осуществления процессов жизнедеятельности организм˝ов

необходимо постоянное обеспечение их энергией. Если прек˝ра-

щается приток энергии в клетки организма, то после окисле˝ния

всех веществ, способных подвергаться окислению и распаду˝, и

живые клетки, и организм в целом погибают. В качестве перво˝источников поступающей энергии организмы могут использов˝ать

две ее формы — световую и химическую. Организмы, способны˝е

использовать для поддержания процессов жизнедеятельнос˝ти энергию света, называют фототрофными, а другие организмы,˝ у которых источником энергии служат химические вещества п˝ищи, получили название хемотрофных организмов. Большинство х˝е-

мотрофных организмов используют для своей жизнедеятель˝ности

химическую энергию окисления органических веществ пищи˝, к ним относятся человек, животные, грибы, большинство бакте˝рий, растения-паразиты. Другие хемотрофные организмы (хемосин˝тезирующие) получают необходимую им энергию за счет окисле˝ния неорганических веществ (некоторые группы бактерий). К фот˝о-

трофным организмам относятся растения, синезеленые водо˝рос-

ли, зеленые и пурпурные бактерии.

У фототрофных организмов в процессе фотосинтеза светова˝я

энергия превращается в химическую энергию сложных орган˝ичес-

172

ких веществ, которые затем включаются в реакции дыхания и˝ подвергаются биологическому окислению. В ходе дыхания значи˝тельная часть энергии окисления органических веществ исполь˝зуется для образования АТФ и других макроэргических соединений˝, с

участием которых далее уже инициируются эндергонически˝е реакции синтеза различных веществ, необходимых для обеспеч˝ения

жизненных процессов организма. Энергия окисления органи˝ческих веществ, трансформируемая в химическую энергию молек˝ул

АТФ, по флоэмной системе транспортируется в любые органы ˝и

ткани растения и может быть использована в них для осущес˝твле-

ния биосинтетических процессов, внутриклеточного перен˝оса ве-

ществ и ионов, инициации защитных реакций организма и др. У˝ хемотрофных организмов происходят аналогичные процессы˝, свя-

занные с окислением веществ и использованием их химическ˝ой

энергии для синтеза АТФ и других макроэргических соедине˝ний,

которые далее включаются в различные сопряженные биосин˝те-

тические процессы.

Таким образом, мы видим, что жизнедеятельность любых орга˝-

низмов складывается из двух противоположных процессов ˝— рас-

пада веществ и сопряженного с ним синтеза макроэргически˝х со-

единений и биосинтетических процессов образования слож˝ных

Рис. 7.1. Общая направленность биоэнергетических процессо˝в в растительных организмах

173

веществ, в которых используется энергия макроэргических˝ соединений. Процесс распада веществ, в ходе которого происходи˝т ферментативное расщепление молекул углеводов, жиров, бел˝ков и других соединений до более простых веществ и дальнейшее их

окисление в реакциях дыхания, получил название катаболизма. А противоположный процесс синтеза сложных веществ, котор˝ый

сопровождается поглощением свободной энергии, называет˝ся анаболизмом. Оба эти процесса тесно связаны между собой в обме-

не веществ организма. Усиление биосинтетических реакций˝, ха-

рактерных для процесса анаболизма, всегда требует активи˝зации

катаболизма, высвобождающего химическую энергию для син˝теза

макроэргических соединений, которые необходимы как биоэ˝нергетические факторы сопряжения в анаболических реакциях˝. Об-

щая направленность биоэнергетических процессов у расти˝тель-

ных организмов, включающая процессы катаболизма и анабол˝из-

ма, а также синтеза макроэргических соединений и их испол˝ьзо-

вания в биосинтетических реакциях, схематически показан˝а на рисунке 7.1.

Как видно из этой схемы, в осуществлении биоэнергетически˝х

процессов важную роль играют макроэргические соединени˝я и

особенно АТФ как универсальный переносчик энергии от кат˝або-

лических процессов к анаболическим. В отсутствие макроэргических соединений происходит разобщение анаболических и ка˝табо-

лических процессов, что приводит к прекращению нормально˝го

функционирования организма.

Контрольные вопросы. 1. В чем состоят особенности функционирования биоэнергетических систем? 2. Как определить изменение внутре˝нней энергии биохимической системы по теплоте сгорания реагирующих вещест˝в и продуктов реакции? 3. Как оценить тепловой эффект биохимической реакции с˝ использованием термодинамической функции, называемой энтальпией? 4. Каки˝м образом используется термодинамическая функция энтропия для хара˝ктеристики направленности биохимических превращений? 5. По каким термодина˝мическим критериям можно оценить экзергонические и эндергонические ре˝акции? 6. С помощью каких расчетов можно определить изменение свободной эне˝ргии в ходе биохими- ческих реакций? 7. Как определяется направленность и возмо˝жность самопроизвольного осуществления в окислительно-восстановительных реакциях? 8. Каковы особенности осуществления биохимических реакций в ус˝ловиях физиологи- ческой среды? 9. Какие термодинамические принципы реализу˝ются в ходе сопряженного синтеза веществ? 10. Какова биологическая роль м˝акроэргических соединений? 11. Какие известны разновидности макроэргических соединений? 12. В чем состоит роль АТФ как наиболее универсального макро˝эргического соединения? 13. Как происходит синтез АТФ в живых организмах? 14.˝ Какова направленность биоэнергетических процессов в растительно˝м организме? 15. Каковы биохимические особенности процессов катаболизма и ан˝аболизма?

174

8. ФЕРМЕНТЫ

∙

В живых клетках самопроизвольно и с очень высокой скорос-˝

тью происходят химические реакции, обеспечивающие жизне˝деятельность организмов. Эти реакции довольно легко протека˝ют

при атмосферном давлении, сравнительно невысоких темпер˝ату-

рах и концентрациях веществ. Они проходят строго согласов˝анно

в пространстве и во времени, а также в соответствии с потре˝бнос-

тями живого организма. Для осуществления таких реакций вн˝е организма потребовалось бы создание высокой температур˝ы или

давления, сильнокислой или щелочной среды, воздействие ка˝ких-

либо других жестких факторов, которые несовместимы с функ˝ци-

онированием живых клеток.

Нормальное осуществление биохимических реакций в живых˝ организмах оказывается возможным благодаря тому, что в их˝

клетках имеются биологические катализаторы, называемые˝ферментами. Название «ферменты» происходит от латинского слова fermentum (закваска). В научной литературе для ферментов очень часто используют также другое название — энзимы, а учение о ферментах называют энзимологией.

Подавляющее большинство ферментов представляют собой

специализированные формы белковых молекул, способных ка˝та-

лизировать химические превращения в живых организмах. Од˝нако, как установлено, каталитической активностью могут обл˝адать и структурные белки, входящие в состав клеточных мембран,˝ а также некоторые формы РНК, которые рассматриваются как эв˝о-

люционные предшественники белковых катализаторов.

По современным представлениям, почти все химические реак˝- ции в живых организмах происходят с участием ферментов, к˝оторые способны ускорять биохимические превращения в тысяч˝и и даже в миллионы раз. Ферменты характеризуются высокой сте˝пенью избирательности и направленности действия, что обесп˝ечи-

вает чистый выход продуктов реакции практически без прим˝есей.

С помощью ферментов осуществляются регуляция биохимиче˝с-

ких процессов и реализация генетической информации, соде˝ржа-

175

щейся в ДНК. Носителями этой информации являются гены, код˝и- рующие структуру полипептидов, в том числе и ферментных б˝елков. В зависимости от того, какие ферменты синтезируются в˝ данной клетке, органе и организме в целом, такие биохимически˝е ре-

акции и будут там происходить. Таким образом, совершенно о˝че- видно, что ферментам принадлежит важная роль инициаторов˝ и

регуляторов биохимических процессов, а также носителей г˝енети- ческих свойств того организма, в котором они синтезируютс˝я.

Благодаря ферментам оказывается возможным одновременно˝е

èсогласованное прохождение огромной совокупности биох˝ими-

ческих реакций, обеспечивающих жизнедеятельность орган˝изма

как целостной и саморегулирующейся живой системы. При нед˝о- статочном синтезе ферментов возникают серьезные отклон˝ения в

ходе биохимических превращений, которые вызывают заболе˝ва-

ния или гибель организма.

Сведения о ферментах имеют большое практическое значени˝е,

так как производство многих пищевых продуктов, кормовых и˝ медицинских препаратов основано на использовании фермент˝атив-

ных процессов. К таким видам производств относится получе˝ние

сыра, молочных и кисломолочных продуктов, чая, табака, орга˝ни-

ческих кислот, витаминов, антибиотиков, вина и пива, комбик˝ор-

мов и т. д. Применение различных лекарственных препаратов, фиторегуляторов, пестицидов и других средств защиты раст˝ений

также связано с воздействием на ферменты, вследствие чего˝ доби-

ваются направленного усиления или подавления определен˝ного

биохимического процесса (активизация роста растений под˝ влия-

нием фиторегулятора, гибель насекомых при обработке инсе˝ктицидами и т. д.).

Избирательность действия ферментов и чрезвычайно высок˝ая

скорость ферментативных превращений уже давно привлека˝ют внимание специалистов-технологов с целью применения фер˝ментов в качестве катализаторов химических реакций синтеза˝ веществ

èв первую очередь для направленного синтеза определенны˝х

стереохимических изомеров, так как при использовании обы˝чных

химических катализаторов образуется рацемическая смесь˝. Особенно широкое применение находят иммобилизованные ферменты. Это ферменты, связанные с твердым носителем или включенны˝е в пористую среду. Такие катализаторы сохраняют свойства фе˝рмен-

тов, но не смешиваются с находящимися в жидкой среде реаге˝нта-

ми и продуктами реакции.

Ферменты являются важными факторами изучения строения органических веществ, так как способны воздействовать на˝ строго

определенные химические связи. Поэтому, подбирая необход˝и-

мый набор ферментов и анализируя образующиеся продукты р˝е-

акций, можно расшифровать структуру очень сложных молеку˝л и

176

биополимеров. Именно с помощью ферментов удалось расшифровать генетический код и строение таких жизненно важных˝ веществ, как белки и нуклеиновые кислоты.

8.1. МЕХАНИЗМ ДЕЙСТВИЯ ФЕРМЕНТОВ

Как и любые катализаторы, ферментные белки участвуют в

биохимических реакциях, но не входят в состав образующихс˝я продуктов. В ходе реакции они ускоряют взаимодействие реа˝гиру-

ющих веществ. В обратимом превращении фермент ускоряет ка˝к

прямую, так и обратную реакцию, не смещая химического равн˝о-

весия.

В соответствии с принципами термодинамики в химическое взаимодействие вступают не все молекулы вещества, а лишь ˝те,

которые обладают достаточным запасом энергии. Такие моле˝кулы

принято называть активными èëè активированными. Åñëè áó ëü-

шая часть молекул реагирующего вещества находится в акти˝вном

состоянии, то химическая реакция происходит очень быстро˝. Для активирования молекул требуется определенная затрата э˝нергии.

Количество энергии, необходимое для перевода всех молеку˝л

1 ìîëÿ вещества в активированное состояние, принято называть

свободной энергией активации. Одно и то же химическое вещество

в каждой конкретной реакции имеет совершенно определенн˝ую энергию активации. Чем выше энергия активации, тем трудне˝е

вещество вступает в химическую реакцию, поэтому скорость ее

будет очень низкой. В таких условиях для ускорения химиче˝ского

превращения реагирующих веществ в продукты реакции прим˝е- няют катализаторы.

В биохимических превращениях роль катализаторов выполн˝я- ют ферментные белки. С участием фермента биохимическая ре˝ак-

ция направляется обходным путем, через промежуточные стадии,

для осуществления которых требуется значительно меньша˝я энергия активации, вследствие чего такие превращения про˝ходят с очень высокой скоростью. Так, например, происходит реакц˝ия: А + Б → АБ, в ходе которой из реагирующих веществ А и Б обра-

зуется продукт АБ. В этой реакции и реагент А, и реагент Б ха˝-

рактеризуются высокой энергией активации, поэтому данна˝я реакция происходит медленно. Но если включается в действие фермент (Ф), то он образует промежуточное соединение с одним

из реагирующих веществ: А + Ф → АФ. При этом энергия актива-

ции вещества А в данной реакции значительно ниже, чем в первой, которая осуществляется без участия фермента, вследст˝вие

чего синтез промежуточного продукта АФ будет проходить с высокой скоростью (рис. 8.1). В ходе превращения промежуточное

177

Активный центр фермента обычно включает от 3 до 12 аминокислотных остатков, находящихся в разных участках аминок˝ислотной последовательности первичной структуры ферментн˝ого белка, но сближающихся в пространстве при формировании тр˝е- тичной структуры (рис. 8.2). Однако строгой границы, отделяющ˝ей

активный центр от остальной части молекулы фермента, не с˝уществует, так как образующие его аминокислотные остатки являю˝тся неотъемлемой частью общей структуры ферментного белка.

Âактивном центре фермента имеются группировки, ответственные за связывание субстрата и образование фермент-с˝уб- стратного комплекса, но вместе с тем они также обеспечива˝ют правильную пространственную ориентацию молекулы субстр˝ата по отношению к другим группировкам активного центра, учас˝твующим в превращении субстрата. При этом происходит совмест˝ное

èкооперативное действие на субстрат всех функциональны˝х группировок активного центра.

Âпроцессе образования фермент-субстратного комплекса п˝роисходит очень точное распознавание ферментом молекул су˝бстрата вследствие того, что поверхности молекул субстрата и к˝аталити- ческого центра фермента комплементарны, т. е. субстрат по с˝воей пространственной конфигурации структурно совместим с к˝аталитическим центром фермента. Такое структурное соответств˝ие между ферментом и субстратом хорошо объясняется гипотезой замка и ключа, согласно которой субстрат по форме так подходит к активному центру фермента, как ключ к замку. При этом субстрат

сравнивается с ключом, а фермент — с замком.

Рис. 8.2. Схематическое изображение молекулы субстрата (заш˝трихована) в активном центре фермента:

5, 14, 15, 32, 33, 47, 57, 58 — аминокислотные остатки каталитического центра, зани˝мающие разное положение в полипептидной цепи, но сближающиеся в ˝пространстве при формировании третичной структуры ферментного белка

179

Из огромного разнообразия химических веществ, содержащи˝х- ся в клетках живого организма, только субстрат способен с˝вязываться с активным центром фермента. Обычно фермент катали˝зирует превращение группы структурно родственных соедине˝ний.

Например, липаза катализирует гидролитическое расщепле˝ние различных сложных эфиров глицерина, входящих в состав жир˝ов;

пепсин — гидролиз различных белков; амилазы — гидролиз˝ полисахаридов крахмала; нуклеотидазы — расщепление нуклеот˝идов.

Однако известны ферменты, обладающие очень узкой специфи˝ч-

ностью действия. Например, каталаза катализирует превращ˝ение

только пероксида водорода, уреаза — гидролиз мочевины, с˝укци-

натдегидрогеназа — отщепление водорода от молекул янта˝рной кислоты (сукцината).

Очень важное свойство ферментов — их стереохимическая ˝спе-

цифичность. В целом ряде опытов было четко показано, что фе˝р-

менты способны распознавать не только геометрию субстра˝та, но

èправую и левую стороны его молекулы или даже атомы водор˝ода

в составе СН2-группы, по-разному ориентированные в простран-

стве. Поэтому каждый фермент катализирует превращение то˝лько

определенных стереоизомеров органических веществ. Это и˝меет

важное биологическое значение. Как указывалось ранее, в о˝рга-

низмах синтезируются преимущественно D-формы моносахаридов и L-формы аминокислот, в связи с чем именно эти стереоиз˝о-

меры указанных соединений могут служить субстратами для˝ фер-

ментов, тогда как другие стереоизомеры не могут превращат˝ься

ферментами организма.

Изучение ферментативных реакций показывает, что специфичность действия ферментов выражается не только в компл˝е- ментарном связывании субстратов, но и в направленном их пре-

вращении в определенные продукты реакции, так как из одно˝го

èтого же субстрата могут быть получены разные вещества. Т˝а- ким образом, в ходе превращения фермент специфически связ˝ы- вает субстрат и одновременно определяет направление био˝хи-

мической реакции.

Âпроцессе образования фермент-субстратного комплекса а˝к- тивные радикалы аминокислотных остатков, находящиеся в к˝аталитическом центре фермента, определенным образом воздействуют на молекулу субстрата. При этом возможны поляризация и˝ рас-

тяжение связей, ионизация отдельных группировок и их смещ˝е-

ние в пространстве, что создает напряжение в молекуле суб˝страта, вызывающее перестройку ее структуры, в результате чего мо˝лекула субстрата переходит в активированное состояние и легк˝о под-

вергается превращению. При этом образующиеся продукты уж˝е не

имеют структурного сродства с активным центром фермента˝ и вы-

тесняются новыми молекулами субстрата.

180