Лекции биохимия 3. Лекция Обмен липидов
 Скачать 4.12 Mb.
|
Вопросы для повторения:1. Из каких основных компонентов синтезируются ацилглицерины жиров и с участием каких ферментов? 2. Как происходит синтез и распад глицерина? 3. Каковы биохимические механизмы синтеза насыщенных жирных кислот? 4. В чём состоят особенности образования жирных кислот с чётным и нечётным числом углеродных атомов, а также с боковыми ответвлениями углеродной цепи? 5. Как осуществляется превращение насыщенных кислот в ненасыщенные? 6. С помощью каких показателей можно оценивать интенсивность синтеза жиров и ненасыщенных жирных кислот в семенах масличных растений? 7. Какие биологические реакции лежат в основе синтеза фосфолипидов и гликолипидов? 8. С участием каких ферментов осуществляется распад ацилглицеринов и фосфолипидов? 9. В чём состоит механизм a-окисления жирных кислот? 10. Какова последовательность биохимических реакций b-окисления насыщенных и ненасыщенных жирных кислот? 11. В чём состоят особенности биодеградации жирных кислот с нечётным числом углеродных атомов и боковыми ответвлениями в углеродной цепи? 12. К каким экологическим нарушениям приводит использование в сельском хозяйстве препаратов, содержащих жирные кислоты с боковыми ответвлениями у нечётных углеродных атомов? 13. Какие биоэнергетические продукты образуются в ходе a- и b-окисления жирных кислот и каков суммарный энергетический эффект окисления жирных кислот? 14. Как происходит в растениях превращение жирных кислот в углеводы? 15. Какова последовательность реакций глиоксилатного цикла и в каких клеточных структурах проходят эти реакции? 16. По каким механизмам из продукта глиоксилатного цикла янтарной кислоты синтезируются углеводы? 17. Как осуществляются синтез и превращения стероидных липидов? 18. Что известно о природе образования липидных компонентов воска? Резюме по модульной единице 9. В ходе синтеза жиров к глицерол-3-фосфату последовательно присоединяются остатки жирных кислот, связанные с коферментом А. Важными промежуточными продуктами при синтезе жиров являются фосфатидные кислоты. Глицерол-3-фосфат образуется из продукта анаэробной стадии дыхания – фосфодиоксиацетона под действием дегидрогеназы. Синтез жирных кислот катализирует мультиферментный комплекс, называемый синтетазой жирных кислот. Важные компоненты этого ферментного комплекса – ацилпереносящие белки, которые связывают в процессе синтеза радикалы жирных кислот. Исходным соединением для синтеза жирных кислот служит ацетилкофермент А, образующийся в реакциях дыхания. Непосредственный донор ацетильных радикалов в синтезе жирных кислот – малонилкофермент А. Превращение насыщенных жирных кислот в ненасыщенные катализируют ферменты оксигеназы, которые проявляют свою активность в присутствии кислорода и восстановленных динуклеотидов НАДФ∙Н. Жирные кислоты с нечётным числом углеродных атомов образуются с участием пропионилкофермента А, а кислоты с разветвлённой углеродной цепью – с участием некоторых аминокислот (имеющих разветвлённую углеродную цепь) и пропионилкофермента А. Фосфолипиды синтезируются из диацилглицеринов с участием активированных форм этаноламина, холина, серина, глицерина, миоинозита. Стероидные липиды растений образуются, как и жирные кислоты, из ацетилкофермента А. Важными промежуточными продуктами при их синтезе являются сквален и циклоартенол. Гликолипиды синтезируются из диацилглицеринов с участием УДФ-галактозы. Гидролитический распад жиров катализируют ферменты липазы, распад фосфолипидов – фосфолипазы. Под действием этих ферментов жиры гидролизуются с образованием глицерина и свободных жирных кислот. Продукты гидролиза фосфолипидов – глицерин, жирные кислоты, фосфорная кислота и азотистые или другие соединения в зависимости от разновидности гидролизуемого фосфолипида: этаноламин, холин, серин, миоинозит. Жирные килоты затем транспортируются в митохондрии и подвергаются β-окислению с образованием в качестве конечного продукта ацетилкофермента А. При β-окислении жирных кислот с нечётным числом углеродных атомов и разветвлённой углеродной цепью, кроме ацетил-КоА, образуется также пропионил-КоА. В клетках растений жирные кислоты включаются в реакции α-окисления, локализованные в цитоплазме. В прорастающих семенах растений происходит активное использование продукта распада жирных кислот ацетил-КоА для синтеза углеводов. На первом этапе таких превращений ацетил-КоА включается в реакции гиоксилатного цикла, которые происходят в субклеточных структурах, называемых глиоксисомами. Далее продукт глиоксилатного цикла янтарная кислота транспортируется в митохондрии и, включаясь в реакции цикла Кребса, превращается в щавелевоуксусную кислоту, которая затем поступает из митохондрии в цитоплазму и в результате декарбоксилирования и фосфорилирофания образует фосфоенолпировиноградную кислоту. А из фосфоенолпировиноградной кислоты в результате обращения реакций анаэробной стадии дыхания синтезируется гексоза, которая уже становится источником образования других углеводов. Тестовые задания к лекции. Тесты № 156-192. Лекции 7. Обмен аминокислот. Аннотация. Излагаются основные биохимические реакции синтеза, превращений и распада аминокислот. Рассматриваются механизмы ассимиляции нитратной формы азота и причины накопления нитратов в растительной продукции. Изучаются механизмы связывания избыточного аммиака в растениях и усвоения амидной формы азота при некорневых подкормках. Даются биохимические сведения о механизме симбиотической азотфиксации. Ключевые слова: восстановительное аминирование кетокислот, реакции переаминирования, окислительное дезаминирование аминокислот, декарбоксилирова-ние аминокислот, аминооксидазы, аспарагинсинтетаза, глутаминсинтетаза, орнитино-вый цикл, обращение реакций орнитинового цикла, нитратредуктаза, нитритредуктаза, нитрогеназа, бактероиды, легоглобин. Рассматриваемые вопросы:
Модульная единица 10. Обмен азотистых веществ. Цели и задачи изучения модульной единицы. Изучить биохимические реакции синтеза, превращений и распада аминокислот и белков, а также молекулярные механизмы генетических процессов, связанные с реализацией в клетках организмов генетической информации, которая содержится в молекулах ДНК. Научить студентов применять знания по обмену азотистых веществ при обосновании технологий выращивания сельскохозяйственных культур и оценке качества растительной продукции. 10.1. Синтез аминокислот. В растительном организме аминокислоты являются первичными азотистыми веществами, которые синтезируются из минеральных форм азота, поступающих главным образом из почвы в виде катионов аммония и нитратов. Другие азотистые вещества образуются в результате превращения аминокислот или с их непосредственным участием. В связи с тем, что в процессе синтеза в аминокислоты включается аммонийная форма азота, нитраты в растительных клетках подвергаются восстановлению, под действием соответствующих ферментных систем. Акцепторами аммонийного азота при первичном синтезе аминокислот служат кетокислоты, которые являются продуктами реакций дыхания – пировиноградная , щавелевоуксусная, a-кетоглутаровая. Образование аминокислот из кетокислот и аммонийной формы азота называют восстановительным аминированием. Эти реакции катализируют ферменты –дегидрогеназы, у которых роль коферментов выполняют восстановленные динуклеотиды НАД×Н или НАДФ×Н. Восстановительное аминирование кетокислот проходит в две стадии. Вначале кетокислота реагирует с аммиаком, образуя иминокислоту. На следующем этапе дегидрогеназа восстанавливает иминокислоту в аминокислоту. Схематически указанные реакции можно представить в виде следующих уравнений: R–С–СООН + NН3 ¾® R–С–СООН + Н2О || || О NН кетокислота иминокислота R–С–СООН + НАД×Н + Н+ ¾® R–СН–СООН + НАД+ || | NH NH2 иминокислота аминокислота В растениях найдены дегидрогеназы, катализирующие восстановительное аминирование пировиноградной, щавелевоуксусной, a-кето-глутаровой кислот. В ходе этих реакций осуществляется синтез аминокислот – a-аланина, аспарагиновой и глутаминовой кислот. аланиндегидро- СН3–С–СООН + NH3 + НАД×Н+Н+ ¾¾¾¾¾® СН3–СН–СООН + Н2О + НАД+ ║ геназа | О NН₂ пировиноградная кислота a-аланин СН2-СООН аспартатдегид- СН2-СООН | + NH3 + НАД×Н + Н+ ¾¾¾¾¾® | + Н2О + НАД+ СО-СООН рогеназа CНNH2-CООН щавелевоук- аспарагиновая сусная кислота кислота СН2-СООН СН2-СООН | глутаматдегид- | CН2 + NH3 + НАД×Н + Н+ ¾¾ ¾¾¾® СН2 + Н2О + НАД+ | рогеназа | СО-СООН CНNH2-CООН a-кетоглутаро- глутаминовая вая кислота кислота В растительных клетках наиболее высокую активность проявляет фермент глутаматдегидрогеназа (1.4.1.3), катализирующий синтез глутаминовой кислоты. Глутаматдегидрогеназа представляет собой тетра- или гексамерный белок с молекулярной массой 200-300 тыс. Она содержится в корнях и листьях растений. В клетках большая часть этого фермента локализована в митохондриях и хлоропластах. Глутаматдегидрогеназа митохондрий использует в качестве кофермента НАД, а хлоропластная глутаматдегидрогеназа – НАДФ. Действие этого фермента обратимо и направленность реакции зависит от концентрации в физиологической среде НАД×Н и НАД+ или НАДФ∙Н и НАДФ⁺, а также от концентрации Н+. Реакции восстановительного аминирования более активно проходят при подкислении среды. Наряду с глутаматдегидрогеназой синтез глутаминовой кислоты катализирует ещё один фермент - глутаматсинтаза (1.4.1.13). С участием этого фермента осуществляется восстановительное аминирование a-кетоглутаровой кислоты за счёт амидной группировки глутамина. Донорами электронов для фермента глутаматсинтазы в зелёных частях растений служат восстановленные молекулы ферредоксина, а в корнях – восстановленные динуклеотиды НАДФ×Н: О // СН2-СООН СН2-С-NН2 СН2-СООН | | | CH2 + CH2 + НАДФ×Н + Н+ → СH2 + НАДФ+ | | | СО-СООН CHNH2-COOH CHNH2-COOH a-кетоглутаро- глутамин глутаминовая вая кислота кислота Глутаматсинтаза – высокомолекулярный белок, содержащий в активном центре флавиновую и железо-серную группировки, более активен на свету. С реакцией восстановительного аминирования, катализируемой глутаматсинтазой, сопряжена реакция образования глутамина, которая проходит с участием фермента глутаминсинтетазы (6.3.1.2). Под действием этого фермента глутамминовая кислота реагирует с аммиаком, а источником энергии для данного эндергонического превращения служат молекулы АТФ: О // СН2-СООН СН2-С-NН2 | | CH2 + NH3 + ATФ ¾® CH2 + АДФ + Н3РО4 | | CHNH2-COOH CHNH2-COOH глутаминовая кислота глутамин | Глутаминсинтетаза – олигомерный белок с молекулярной массой более 500 тыс., проявляет каталитическую активность в присутствии катионов Mg2+. При низкой концентрации a-кетоглутаровой и глутаминовой кислот фермент переводится в неактивную форму в результате присоединения от АТФ остатка адениловой кислоты (АМФ) к одному из радикалов тирозина в молекуле фермента. Присоединение и удаление остатка адениловой кислоты катализируют специальные трансферазы. Глутаминсинтетаза локализована преимущественно в цитоплазме и меньшая её активность обнаруживается в хлоропластах. Следует отметить, что дополнительный синтез глутаминовой кислоты с участием сопряжённой ферментной системы глутаминсинтетазы и глутаматсинтазы возможен только при наличии определённого уровня глутаматдегидрогеназой активности, осуществляющей первичное образование глутаминовой кислоты в результате восстановительного аминирования аммиаком a-кетоглутаровой кислоты. У бактерий выяснен ещё один механизм образования одной из аминокислот (аспарагиновой) в результате присоединения аммиака к фумаровой кислоте, которая так же, как и указанные выше кетокислоты, является продуктом дыхательных реакций. Синтез аспарагиновой кислоты из фумаровой кислоты и аммиака катализирует фермент аспартатам-миаклиаза (4.3.1.1): СН-СООН СН2-СООН || + NH3 D | СН-СООН CHNH2-COOH фумаровая аспарагиновая кислота кислота Первичные аминокислоты, образующиеся в ходе восстановительного аминирования кетокислот, становятся активными донорами аминогрупп для реакций переаминирования, катализируемых аминотрансферазами. Механизм реакций переаминирования уже рассмотрен ранее (стр 234-236). Наибольшую активность в качестве доноров аминных групп имеют глутаминовая и аспарагиновая кислоты, а также их амиды – глутамин и аспарагин. Важнейшими акцепторами аминных групп в этих реакциях являются следующие кетокислоты: a-кетоглутаровая, щавелевоуксусная, пировиноградная, оксипировиноградная, глиоксиловая, фенилпировиноградная. В результате переаминирования могут синтезироватья глутаминовая и аспарагиновая кислоты, a-аланин, серин, глицин, фенилаланин и другие аминокислоты, имеющие кетоаналоги в растительных клетках. Содержание свободных аминокислот в растительных тканях подвержено постоянным изменениям. Значительное их количество затрачивается на синтез белков, нуклеотидов, нуклеиновых кислот и других азотистых соединений. Другая часть аминокислот превращается в безазотистые вещества - углеводы, жиры, органические кислоты, фенольные соединения. Концентрация протеиногенных аминокислот существенно возрастает, когда инициируется распад белков. 10. 2. Превращения и распад аминокислот. Основной путь превращения аминокислот в безазотистые соединения – это их дезаминирование, приводящее к образованию кетокислот и аммонийной формы азота. У растений преимущественно происходят реакции окислительного дезаминирования, которые по своему механизму обратны реакциям восстановительного аминирования и поэтому катализируются теми же ферментами – дегидрогеназами. На первом этапе под действием дегидрогеназы от аминокислоты отщепляется водород с образованием иминокислоты. На втором этапе иминокислота подвергается гидролизу, продуктами которого являются кетокислота и аммиак. При рассмотрении реакций восстановительного аминирования было отмечено, что в растительных тканях наиболее высокую активность проявляет фермент глутаматдегидрогеназа. Этот же фермент играет важную роль в осуществлении реакций окислительного дезаминирования. Процесс дезаминирования глутаминовой кислоты под действием глутаматдегидрогеназы может быть представлен в виде следующих реакций: СH2-COOH СH2-COOH СH2-COOH | | + H2O | CH2 + НАД+ ¾¾® CH2 ¾¾® CH2 + NH3 | ↘ | | CHNH2-COOH НАД×Н + Н+ C-COOH CO-COOH глутаминовая || a-кетоглутаровая кислота NH кислота иминокислота Образовавшаяся в результате дезаминирования a-кетоглутаровая кислота далее может вступать в реакции переаминирования с различными аминокислотами и снова превращаться в глутаминовую кислоту, которая вновь подвергается дезаминированию. По такому же механизму действуют и другие дегидрогеназы, катализирующие обратимые реакции восстановительного аминирования и окислительного дезаминирования. Таким образом в результате совместного действия дегидрогеназ и аминотрансфераз аминокислоты довольно легко превращаются в соответствующие кетокислоты и аммиак. В свою очередь кетокислоты могут снова использоваться для синтеза аминокислот или подвергаться декарбоксилированию. Декарбоксилирование кетокислот катализируют ферменты декарбоксилазы, имеющие в качестве кофермента тиаминопирофосфат. Продуктами этих реакций являются СО2 и соответствующие альдегиды, которые далее окисляются в кислоты под действием ферментов альдегидоксидаз или дегидрогеназ альдегидов. В общем виде процесс превращения a-кетокислот в карбоновые кислоты можно представить в виде следующих реакций: O декарбоксилаза // R-C-COOH ¾¾¾¾¾® R-C–H + CO2 || O кетокислота альдегид O О // альдегидоксидаза // R-C-Н + Н2О + О2 ¾¾¾¾¾® R-C–ОH + Н2О2 альдегид кислота О О // дегидрогеназа // R-C–Н + Н2О + НАД+ ¾¾¾¾¾® R-C–ОH + НАД×Н + Н+ альдегид кислота Образовавшиеся в этих реакциях карбоновые кислоты включаются в синтез жирных кислот или подвергаются a- и b-окислению. Наряду с дезаминированием в организмах довольно активно происходит декарбоксилирование аминокислот, которое катализируют двухкомпонентные ферменты – декарбоксилазы аминокислот, имеющие в качестве кофермента производное витамина В6 – пиридоксальфосфат. Хорошо изученным представителем таких ферментов является глутаматдекарбоксилаза (4.1.1.15), с участием которой из глутаминовой кислоты образуется g-аминомасляная кислота и выделяется СО2: СН2- СООН | CH2 ¾¾® CH2-CH2-CH2-COOH + CO2 | | CH2NH2-COOH NH2 глутаминовая g-аминомасляная кислота кислота В опытах показано, что особенно активно происходит накопление g-аминомасляной кислоты в стареющих листьях, а также при прорастании семян, когда интенсивно осуществляется распад запасных белков и превращения аминокислот. По такому же механизму происходит декарбоксилирование аспарагиновой кислоты с образованием b-аланина: СН2-СООН CH2-СH2-COOH + CO2 | ¾¾® | CHNH2-COO H NH2 аспарагиновая b-аланин кислота В клетках некоторых бактерий найден фермент, катализирующий синтез a-аланина путём декарбоксилирования аспарагиновой кислоты с противоположного конца: СН2-СОО Н CH3-CH-COOH + CO2 | ¾¾® | CHNH2-COOH NH2 аспарагиновая a-аланин кислота В ходе декарбоксилирования моноаминомонокарбоновых кислот осуществляется превращение аминокислот в амины, а при декарбоксилировании диаминомонокарбоновых кислот образуются диамины. Так, например, под действием фермента лизиндекарбокси-лазы (4.1.1.18) лизин превращается в диамин, называемый кадаверином. В результате аналогичных реакций из орнитина образуется путресцин, из CH2-CH2-CH2-CH2-CH-COOH ¾¾® CH2-CH2-CH2-CH2-CH2 + CO2 | | | | NH2 NH2 NH2 NH2 лизин кадаверин CH2-CH2-CH2-CH-COOH ¾¾® CH2-CH2-CH2-CH2 + CO2 | | | | NH2 NH2 NH2 NH2 орнитин путресцин N – C- CH2-CH-COOH ¾¾® N – C- CH2-CH2-NH2 + CO2 || || | || || HC CH NH2 HC CH \ / \ / NH NH гистидин гистамин H3C H3C \ \ CH-CH-COOH ¾¾® C-CH2NH2 + CO2 / | / H3C NH2 H3C валин изобутиламин гистидина – гистамин, из валина – изобутиламин. Кадаверин, путресцин, тирамин и некоторые другие амины токсичны для организма человека. Они в большом количестве могут накапливаться при разложении продуктов, богатых белками, под действием микроорганизмов, имеющих активные декарбоксилазы аминокислот. Много аминов накапливается в грибах. В растительных тканях также содержатся амины, которые являются продуктами обмена амиинокислот. Избыточные концентрации аминов наблюдаются при нарушениях обмена азотистых веществ и в этом случае они могут вызывать токсическое действие на растения. Образующиеся из аминокислот амины могут подвергаться различным превращениям, включающим окисление, синтез алкалоидов, азотистых оснований и других физиологически активных веществ. Окисление аминов катализируют ферменты моноаминооксидазы и диаминооксидазы. Продукты этих реакций – аммиак, альдегиды и пероксид водорода: моноамино- O оксидаза // R-CH2NH2 + O2 + H2O ¾¾¾® R-C–H + NH3 + H₂O₂ амин альдегид NH₂ NH₂ диамино- O O | | оксидаза \\ // СH2-СH2-СH2-СH2 + O2 ¾¾¾® Н–C-СH2-СH2-C–H + 2NH3 путресцин янтарный диальдегид Альдегиды подвергаются дальнейшему окислению в кислоты по уже известному нам механизму. Некоторые амины служат источниками образования алкалоидов. Так, например, из тирамина синтезируется алкалоид горденин, из кадаверина – пиперидин, из путресцина – пироллин (стр. …). Компоненты фосфолипидов – этаноламин и холин – образуются в результате декарбоксилирования аминокислоты серина. Под действием сериндекарбоксилазы вначале серин превращается в этаноламин, который далее метилируется с участием метилтрансферазы и даёт холин. Донором метильных групп для образования холина служит S-аденозилметионин. СН2-СН-СООН ¾® СН2-СН2 + СО2 | | | | OH NH2 OH NH2 серин этаноламин СН2-СН2 + 3S–аденозилметионин ¾¾® СН2-СН2N+(CH3)3 | | | OH NH2 S–аденозил- ОН этаноламин гомоцистеин холин В процессе распада аминокислот продукты их дезаминирования и декарбоксилирования через ряд промежуточных стадий могут превращаться в ходе дыхательных реакций – в пировиноградную, щавелевоуксусную, a-кетоглутаровую, янтарную кислоты, а также в ацетил-КоА и пропионил-КоА, которые далее могут окисляться до СО2 и Н2О. Так, было выяснено, что конечные продукты распада глутаминовой кислоты, пролина, аргинина, гистидина , – пировиноградная кислота и ацетил-КоА; конечный продукт распада лизина, лейцина, триптофана,– ацетил-КоА. При распаде метионина, треонина, валина, изолейцина образуется пропионил-КоА; при распаде фенилаланина и тирозина – ацетил-КоА и янтарная кислота. Серин, цистеин и α-аланин при распаде дают пировиноградную кислоту, глицин – глиоксиловую кислоту, которые затем превращаются в щавелевоуксусную кислоту. Таким образом, аминокислоты, легко превращаясь в продукты дыхательных реакций, могут использоваться в растительном организме как субстраты дыхания. Вместе с тем аминокислоты, являясь первичными азотистыми продуктами растений, участвуют в синтезе других азотистых веществ. Протеиногенные аминокислоты служат структурными компонентами для построения белковых молекул. Аспарагиновая кислота, глицин, глутамин участвуют в синтезе пуриновых нуклеотидов, аспарагиновая кислота – ещё и в синтезе пиримидиновых нуклеотидов и никотиновой кислоты. Из валина образуются молекулы пантотеновой кислоты и кофермента А, из серина – фосфатидилсерины, фосфатидилэтаноламины и фосфатидилхо-лины, из треонина – витамин В12, из триптофана – индолилуксусная кислота. Из глицина, кроме пуриновых нуклеотидов, образуются хлорофиллы и другие порфирины, а также витамин В12. Как было показано ранее, глицин, цистеин и глутамииновая кислота дают физиологически активный пептид глютатион. Ароматические аминокислоты фенилаланин и тирозин дают начало синтезу ароматических спиртов, альдегидов, кетонов и их производных. Они также являются источниками образования флавоноидных соединений, таннинов и лигнина (см. главу «Вещества вторичного происхождения»). При окислении фенилаланина и тирозина синтезируются тёмноокрашен-ные продукты конденсации – меланины (стр…). В результате метилирования аминокислот происходит образование их N-метильных производных – бетаинов. Простейшим представителем бетаинов является гликокол-бетаин, синтезирующийся путём метилирования аминокислоты глицина: H2N-CH2-COOH + 3CH3OH ¾® (CH3)3N+-CH2-COOH ¾® (CH3)3N+-CH2-COO- ↓ ׀ ↓ 2H2O ОН H2O глицин N-оксибетаин бетаин ↓↓↓ Гликокол-бетаин содержится во многих растительных продуктах, но особенно его много накапливается в корнеплодах (до 0,6%) и листьях (до 3%) сахарной свеклы. Бетаины, как и метионин, содержат подвижную метильную группу и могут её передавать на другие соединения. Из гликокол-бетаина образуется триметиламин, придающий запах зерну, поражённому головней. 10.3. Связывание избыточного аммиака в растениях. При интенсивном дезаминировании аминокислот и других азотистых веществ в ходе диссимиляции в организмах органических соединений высвобождается большое количество аммонийной формы азота, которая в высоких концентрациях токсична для растительных тканей. Повышение концентрации аммонийного азота в растениях наблюдается также при внесении аммонийных форм азотных удобрений. Поступающий в растение из почвы или образовавшийся в результате распада азотистых веществ аммонийный азот активно используется для синтеза аминокислот, вступая в реакции восстановительного аминирования с кетоаналогами аминокислот. Однако, если концентрация аммонийного азота в растительных тканях чрезмерно повышается, вступают в действие механизмы связывания аммиака, защищающие растения от аммиачного отравления. Как установлено в опытах, признаки аммиачного отравления у растений с нейтральным клеточным соком наблюдаются при содержании в вегетативной массе свыше 30-40 мг% аммонийного азота. Более устойчивы к аммиачному отравлению растения с кислым клеточным соком (рН 1,3-4) – щавель, бегония, ревень, пеларгония, осоки, хвощи и др. У этих растений в клеточном соке накапливается много органических кислот (яблочной, щавелевой, лимонной, янтарной и др.), которые связывают аммиачный азот в виде аммонийных солей и таким образом предотвращают аммиачное отравление указанных растений. СН2-СООН CH2COONH4 | + NH3 ¾® | CHOH-COOH CHOH-COOH яблочная малат аммония кислота СООН COONH4 | + 2NH3 ¾® | COOH COONH4 щавелевая оксалат кислота диаммония Большинство культурных растений, хотя и содержат в своих тканях органические кислоты, являющиеся продуктами дыхательных реакций, имеют реакцию клеточного сока близкую к нейтральной, поэтому не способны связывать в виде аммонийных солей большое количество азота, образующегося при распаде азотистых веществ или поступающего в растения из почвы как фактор азотного питания. У них избыточный аммонийный азот обезвреживается путём образования амидов дикарбоновых аминокислот – глутамина и аспарагина. На синтез амидов затрачивается метоболическая энергия, которая высвобождается за счёт гидролиза АТФ. Реакция синтеза глутамина из глутаминовой кислоты и аммиака с участием АТФ под действием фермента глутаминсинтетазы была показана ранее. Образование аспарагина катализирует фермент аспарагинсинтетаза (6.3.5.4), способная за счёт гидролиза глутамина осуществлять синтез амидной группировки аспарагина в результате следующей реакции: СН2-СООН CH2CONH2 CH2CONH2 СН2-СООН | + | | + | CHNH2-COOH CH2 + АТФ ¾® CHNH2-COOH CH2 аспарагиновая | ↓ аспарагин | кислота CHNH2-COOH АМФ CHNH2-COOH глутамин Н4Р2О7 глутаминовая кислота Кроме аспарагина и глутаминовой кислоты, продуктами данного превращения также являются аденозинмонофосфат и дифосфорная кислота, возникающие в результате гидролиза макроэргической связи АТФ между первым и вторым остатками фосфорной кислоты. При высоких концентрациях аммонийной формы азота возможно образование аспарагина непосредственно с участием аммиака по аналогии с реакцией образования глутамина (стр…). Однако фермент аспарагинсинтетаза имеет большее сродство к глутамину как донору NH2-групп, чем NH4+-ионам, поэтому указанная выше реакция синтеза аспарагина из аспарагиновой кислоты и глутамина наиболее типична для растений. Ферменты глутаминсинтетаза и аспарагинсинтетаза локализованы в цитоплазме. Динамика содержания амидов в растительных тканях в зависимости от направленности проходящих в них биохимических процессов была выяснена в классических исследованиях Э.Шульце, Д.Н. Прянишникова, А. Чибнелла, В.Л. Кретовича, Было отмечено, что при интенсивном дезаминировании азотистых веществ или преимущественном питании растений аммонийной формой азота в тканях растений наблюдается накопление аспарагина и глутамина, причём у большинства растений глутамина содержится больше по сравнению с аспарагином. У некоторых растений избыточный аммиак связывается главным образом путём его включения в глутамин. К таким растениям относится сахарная свёкла, в корнях которой при усиленном питании растений аммонийными солями может накапливаться свыше 5 % глутамина в расчёте на сухую массу. У других растений при связывании избыточного аммиака наблюдается преимущественное накопление аспарагина. Например, в этиолированных проростках люпина, в которых очень активно происходит распад азотистых веществ с образованием аммиака, содержится много аспарагина (до11 % от сухой массы). Также много аспарагина накапливается в корневищах спаржи (до 17 % от сухой массы). Изучение процесса ассимиляции аммонийной формы азота, поступающей в растения из почвы, показывает, что почти весь аммиачный азот превращается в корнях в аммонийный азот аминокислот и амидный азот глутамина и аспарагина. Поэтому более половины азота, переносимого из корней в вегетативную часть растений с ксилемным и флоэмным током, представлено амидами. Аспарагин и глутамин, являясь продуктами связывания избыточного аммиака, активно участвуют в различных биохимических процессах как доноры аминных групп и источники образования других азотистых веществ. О // НООС–СН–СН₂–С–С–NH2 | || NH2 CH2 У некоторых растений основным веществом, в виде которого связывается избыточный аммиачный азот,, является производное глутамина – g-метиленглутамин: Много g-метиленглутамина содержится в корнях и пасоке арахиса, листьях и луковицах тюльпана, листьях папоротника, проростках бобов, хмеле, горохе. |