Биохимия растений

литического центра этих ферментов входит гем. Действие пе˝роксидазы можно представить в виде следующей реакции:

Субстрат—Н2 + Í2Î2 → Окисленный субстрат + 2Н2Î

Пероксидазы катализируют окисление пероксидом водорода˝

фенольных соединений, жирных кислот, терпенов, восстановл˝енного глютатиона. По сходному с пероксидазой механизму дей˝-

ствует фермент каталаза (1.11.1.6), катализирующий разложение

пероксида водорода на кислород и воду. Каталазы представл˝яют

собой тетрамерные белки с молекулярной массой около 250 000,

имеющие в качестве кофермента гем и проявляющие очень выс˝о- кую каталитическую активность (2 · 105 кат в расчете на 1 моль ка-

талитических центров). Этот фермент осуществляет защиту ˝тка-

ней организма от повреждающего действия пероксида водор˝ода.

Катализаторы переноса электронов. К ферментам — переносчи-

кам электронов относятся цитохромы, включающие в качестве коферментов гемы, железосерные белки, а также ферменты, соде˝р-

жащие атомы металлов. Способность к переносу электронов у˝

этих ферментных белков определяется тем, что имеющиеся в ˝их

составе атомы металлов могут обратимо изменять степень о˝кисле-

íèÿ (ñì. ñ. 189—191).

Чаще всего цитохромы акцептируют электроны от флавопрот˝е-

идов или хинонов, а передают их на металлопротеиды или кис˝ло-

род. В результате соединения гемов со специфическими белк˝ами

возникают ферментные молекулы, обладающие разными окисл˝и-

тельно-восстановительными потенциалами, благодаря чему˝ из цитохромов формируются цепи переноса электронов. Передача˝ электронов по цепи переносчиков происходит от цитохрома˝, име-

ющего меньший окислительно-восстановительный потенциал˝, цитохрому с большим потенциалом.

Наиболее хорошо изучена цитохромная система дыхательно˝й цепи переноса электронов. Она включает шесть цитохромов (˝b556, b560, c1, c, à è à3), способных последовательно от одного другому

передавать один электрон. Донором электронов для передач˝и в цитохромную систему служит восстановленный кофермент Q

(ÊîQ · Í2).

Цитохромы b556, b560 è ñ1 объединены в единый ферментный

комплекс, входящий в состав внутренней мембраны митохонд˝рий.

В составе цитохрома ñ1 кроме гема имеется еще один реакционный центр, включающий железосерный кластер 2Fе2S. Цитохромы à è à3 также образуют мембраносвязанный ферментный комп-

лекс, называемый цитохромоксидазой. В реакционных центрах ци-

тохромоксидазного комплекса содержатся два атома меди, к˝ото-

рые совместно с гемовыми группировками цитохромов à è à3

241

участвуют в связывании кислорода и передаче электронов н˝а атомы кислорода. Для ионизации одного атома кислорода необхо˝димо, чтобы по цитохромной системе от восстановленного кофе˝р- мента Q переносилось два электрона, при этом кофермент Q пер˝е-

ходит в окисленную форму, а в физиологическую среду (матри˝кс) митохондрий переходят два катиона водорода (2Н+). Приняв

электроны от цитохрома à3, кислород ионизируется и очень активно реагирует с катионами водорода, образуя молекулы во˝ды:

1 /2Î2 + 2å + 2Í+ ¾¾® Í2Î

От ферментного комплекса цитохромов b è ñ1 перенос электро-

нов на цитохромоксидазу осуществляет цитохром ñ, представляю-

щий собой водорастворимый белок, который способен переме˝- щаться в жидкой физиологической среде на поверхности мит˝о-

хондриальной мембраны. Перенос электронов по цитохромно˝й

системе, образующей цепь дыхательных ферментов митохонд˝рии,

можно представить в виде следующей схемы:

В одном из звеньев электронтранспортной цепи хлоропласт˝-

ных мембран функционирует комплекс цитохромов b6—f, êîòî-

рый осуществляет перенос электронов от пластохинона, явл˝яющегося структурным аналогом убихинона, на водорастворимый˝ белок пластоцианин, содержащий в активном центре атомы меди˝.

Цитохромы в качестве переносчиков электронов также вход˝ят в

состав целого ряда окислительно-восстановительных ферм˝ентов.

Нитратредуктаза растений содержит цитохром b557, оксигеназа жирных кислот и сульфитоксигеназа — цитохром b5, гидроксилазы стеролов — цитохром Ð-450, лактатдегидрогеназа дрожжей — цитохром b2.

Кроме цитохромов в системах переноса электронов важную

роль играют железосерные белки, строение и механизм дейст˝вия которых были представлены ранее (с. 192—193). Такие белки име-

ются в электронтранспортных цепях хлоропластов и митохо˝ндрий

(растительные и животные ферредоксины, белок Риске), клето˝к микроорганизмов (бактериальные ферредоксины и рубредок˝си-

ны), а также в составе ферментного комплекса нитрогеназы (˝азо-

ферредоксин), катализирующего восстановление молекуляр˝ного

242

азота (N2) до аммонийной формы у азотфиксирующих микроорганизмов.

Большую группу ферментов, осуществляющих перенос электронов, составляют металлопротеиды, которые представляют˝ собой

белки, имеющие в активном центре атомы металлов (Cu, Mn, Mo, Se и др.). Так, в электронтранспортной цепи хлоропластов пере˝-

нос электронов от фотосистемы II к фотосистеме I выполняет в˝о- дорастворимый медьсодержащий белок пластоцианин, спосо˝бный

передавать один электрон. В составе фермента нитратредук˝тазы,

катализирующей восстановление нитрата до нитрита, имеют˝ся

атомы молибдена, участвующие в переносе электронов от нит˝рат-

редуктазы на азот нитрата.

Очень часто в системах транспорта электронов принимают у˝ча-

стие сложные ферментные комплексы, включающие одновреме˝н-

но гемы и атомы металлов (например, рассмотренная ранее ци˝-

тохромоксидаза) или железосерные белки, содержащие атомы˝

металлов. Типичным представителем таких ферментов можно считать молибдоферредоксин нитрогеназного комплекса аз˝отфик-

сирующих микроорганизмов. Он содержит FeS-кластеры и атомы

молибдена, с участием которых происходит перенос электро˝нов

на атомы молекулярного азота (N2), в результате чего последние

ионизируются и присоединяют катионы водорода, превращая˝сь в аммонийную форму азота.

8.8.2.ТРАНСФЕРАЗЫ

Âобмене веществ организмов важную роль играют ферменты, катализирующие перенос группировок от одной молекулы на˝ дру-

гую, при этом возможен синтез новых веществ. Реакции перен˝оса

групп происходят также и в ходе распада и превращений хим˝ичес-

ких веществ в процессе жизнедеятельности организмов. В за˝висимости от природы переносимых групп трансферазы подразде˝ляют на восемь подклассов, а в каждом подклассе проводится дел˝ение на подподклассы на основе уточнения функциональных свой˝ств

переносимой в ходе реакции группировки. Так, к первому под˝-

классу трансфераз относятся ферменты, катализирующие пе˝ренос одноуглеродных остатков: метилтрансферазы (2.1.1), переносящие метильные группы; карбоксилтрансферазы (2.1.3), осуществляющие перенос карбоксильных групп; формилтрансферазы (2.1.2),

катализирующие перенос формильных группировок и др. Ферменты, катализирующие перенос одноуглеродных остат-

ков, имеют коферменты в виде производных тетрагидрофолие˝вой

кислоты, которая синтезируется из витамина фолиевой кисл˝оты

под действием фермента дигидрофолатредуктазы. Донором водорода служат восстановленные динуклеотиды НАДФ · Н:

243

Как доноры одноуглеродных остатков наиболее важное биол˝о-

гическое значение имеют метилентетрагидрофолиевая кисл˝ота, 5-метилтетрагидрофолиевая кислота, 5,10-метенилтетрагидроф˝о-

лиевая кислота и 10-формилтетрагидрофолиевая кислота. Эти˝ ко-

ферментные формы тетрагидрофолиевой кислоты принимают

участие в реакциях метилирования и формилирования различных

субстратов, синтезе метионина, серина и пуриновых нуклеот˝идов, модификации молекул белков и нуклеиновых кислот.

244

Довольно хорошо изучена реакция переноса метильной груп˝пы в процессе синтеза аминокислоты метионина. Донором метил˝ь- ной группы в этой реакции служит 5-метилтетрагидрофолиева˝я кислота, а акцептором — гомоцистеин:

Образовавшийся в этой реакции метионин используется в си˝н-

тезе белков или, соединяясь с аденозином, превращается в S-аде-

нозилметионин, который является активным донором метиль˝ных

групп в различных реакциях трансметилирования.

245

Характерным примером реакции трансметилирования с учас˝-

тием S-аденозилметионина в качестве донора метильных груп˝п

может служить метилирование никотинамида:

К важнейшим трансферазам растений относятся ферменты, ка˝-

тализирующие перенос альдегидных, кетонных, аминных и фос˝- фатных групп, ацильных и гликозильных остатков, а также гр˝уп-

пировки КоА.

Транскетолаза (2.2.1.1) — фермент, катализирующий перенос

остатков гликолевого альдегида от кетозы на альдозу с образованием новых кетозы и альдозы. Такая реакция, например, проис˝ходит в процессе фотосинтеза:

246

Транскетолаза имеет в качестве кофермента тиаминпирофо˝с- фат. Она играет важную роль в процессах превращения кетоз˝ и альдоз, происходящих при фотосинтезе и пентозофосфатном˝ пути окисления углеводов.

Трансальдолаза (2.2.1.2) является еще одним ферментом, содержащим в активном центре тиаминпирофосфат. Она катализиру˝ет

перенос остатка диоксиацетона от кетозы на альдозу с обра˝зованием новой альдозы и новой кетозы. Причем трансальдолаза ˝дей-

ствует практически на те же субстраты, которые превращают˝ся с

участием транскетолазы. Так, например, на одном из этапов п˝ен-

тозофосфатного пути окисления глюкозы под действием

трансальдолазы происходит перенос остатка диоксиацетон˝а от се- догептулозо-7-фосфата на 3-фосфоглицериновый альдегид, в ре˝-

зультате образуются новые моносахаридные производные —˝ фрук-

тозо-6-фосфат и эритрозо-4-фосфат:

А ц и л т р а н с ф е р а з ы переносят остатки карбоновых кислот. Они имеют в каталитическом центре активную группиров˝ку в

виде кофермента А, к которой присоединяется карбоновая ки˝сло-

та (см. с. 196), при этом образуется ацил-КоА производное, способное далее быть донором ацильного остатка.

Глицеролфосфатацилтрансфераза (2.3.1.15) в процессе синтеза жиров осуществляет перенос остатков жирных кислот, связа˝нных

с КоА, на глицерол-3-фосфат с образованием фосфатидной кис-

ëîòû:

247

Ацилтрансферазы катализируют перенос ацильных остатков в процессе синтеза жирных кислот, ацилглицеринов, фосфолип˝и- дов, различных сложных эфиров (ацетилхолин и др.), фенольны˝х соединений, терпенов.

Г л и к о з и л т р а н с ф е р а з ы переносят остатки моносахаридов в ходе синтеза олиго- и полисахаридов, а также глик˝ози-

äîâ. Сахарозоглюкозилтрансфераза (2.4.1.7) — типичный предста-

витель таких ферментов, катализирующая образование глюк˝озо-1-

фосфата из сахарозы и ортофосфата:

В этой реакции фермент осуществляет перенос остатка глюк˝о-

зы от молекулы сахарозы на ортофосфат. На первой стадии ре˝ак-

ции происходит образование промежуточного соединения ф˝ермента с глюкозой — глюкозилфермента, так как данная тран˝сфе-

раза обладает сильным сродством к глюкозе. Вторая стадия ˝реак-

ции связана с тем, что фосфатная группа, вытесняя фермент, образует более устойчивое соединение с глюкозой — глюк˝озо-1-

фосфат.

Сахарозо-УДФ-глюкозилтрансфераза (2.4.1.13) катализирует синтез сахарозы в нефотосинтезирующих органах растений˝ (корнеплодах, клубнях, зародышах семян и др.). Под действием это˝го фермента активированный остаток глюкозы, связанный с ури˝дин-

дифосфатом (УДФ), переносится на фруктозу с образованием д˝и-

сахарида сахарозы:

248

Данная реакция обратима, и при повышении концентрации

УДФ с участием одного и того же фермента может происходит˝ь

расщепление молекул сахарозы с образованием исходных су˝бстра-

тов. В связи с тем что в реакции синтеза сахарозы под действ˝ием

фермента осуществляется перенос остатков глюкозы, этот ф˝ермент называют глюкозилтрансферазой. Однако во многих реа˝кци-

ях синтеза углеводов переносу подвергаются остатки друг˝их моно-

сахаридов, связанных с разными нуклеозиддифосфатами, поэ˝тому

общее название таких ферментов переноса — гликозилтран˝сфера-

зы. Реакции переноса моносахаридных остатков играют такж˝е

важную роль в синтезе ряда гликозидов.

А м и н о т р а н с ф е р а з ы катализируют перенос амино-

группы от аминокислоты на кетокислоту в реакциях переами˝ни-

рования по следующей схеме:

Очень активным донором аминных групп для реакций пере-

аминирования служит глутаминовая кислота.

249

Аспартатаминотрансфераза (2.6.1.1) катализирует, например, взаимодействие глутаминовой и щавелевоуксусной кислот ˝в реакции переаминирования.

Аминотрансферазы имеют в каталитическом центре коферме˝нт

в виде фосфорилированного производного витамина В6 — пиридок-

сальфосфата. Механизм действия этих ферментов рассмотре˝н ра-

нее (см. с. 198—200). Они участвуют в реакциях синтеза и превра-

щений аминокислот у всех видов живых организмов. В этой гр˝уппе насчитывается более 50 ферментов.

Ф о с ф о т р а н с ф е р а з ы участвуют в переносе фосфатных

групп (—Н2ÐÎ3) от АТФ на различные органические субстраты, а

также от различных макроэргических фосфатов на АДФ в проц˝ес-

се синтеза АТФ. Очень часто фосфотрансферазы называют киназами.

Превращение многих веществ в организме начинается их акт˝и-

вированием путем фосфорилирования, и донором фосфатных

групп для этих реакций служат молекулы АТФ. Гексокиназа

(2.7.1.1) является одним из таких ферментов. Она катализирует синтез глюкозо-6-фосфата из глюкозы с участием АТФ:

Гексокиназа проявляет каталитическую активность только˝ в присутствии катионов Mg2+, которые образуют с АТФ комплексы, способные взаимодействовать с определенными группировк˝ами в

каталитическом центре фермента.

П р о т е и н к и н а з ы переносят фосфатные группы от АТФ

на гидроксильные группы остатков серина или треонина в мо˝ле-

кулах белков, в результате чего происходит их фосфорилиро˝вание:

250