|
|
Лекции биохимия 2. Резюме по модульной единице 4
В последующих реакциях цикла Кальвина осуществляется изоме-ризация фосфорнокислых производных пентоз, которая обеспечивает регенерацию первичного акцептора СО2 – рибулозо-1,5-дифосфата. Образовавшиеся в реакциях 7 и10 молекулы ксилулозо-5-фосфата превращаются в рибулозо-5-фосфат под действием фермента рибулозофосфатэпимеразы (5.1.3.1), который способен изменять на противоположную пространственную ориентацию водорода и гидроксильной группы у третьего углеродного атома пентозы:
СН2ОН СН2ОН (11)
| |
С=О ¾¾¾® С=О
| ¬¾¾¾ |
НО-С-Н Н-С-ОН
| |
Н-С-ОН Н-С-ОН
| |
СН2О(Р) СН2О(Р)
ксилулозо-5- рибулозо-5-фосфат
фосфат
Н (12)
С=О СН2ОН
| рибозофосфат- |
Н-С-ОН ¾¾¾® С=О
| ¬¾¾¾ |
Н-С-ОН изомераза Н-С-ОН
| |
Н-С-ОН Н-С-ОН
| |
СН2О(Р) СН2О(Р)
рибозо-5-фосфат рибулозо-5-фосфат
Превращение рибозо-5-фосфата в рибулозо-5-фосфат катализирует фермент рибозофосфатизомераза (5.3.1.6):
СН2ОН СН2О(Р) (13)
| |
С=О С=О
| фосфорибулокиназа |
Н-С-ОН + АТФ ¾¾¾® Н-С-ОН + АДФ
| |
Н-С-ОН Н-С-ОН
| |
СН2О(Р) СН2О(Р)
рибулозо-5-фосфат рибулозо-1,5-дифосфат
Окончательную регенерацию первичного акцептора СО2 осуществляет фермент фосфорибулокиназа (2.7.1.19), катализирующий фосфорилирование от АТФ рибулозо-5-фосфата:
В ходе указанных выше тринадцати реакций происходит включение в состав углеводных производных трёх молекул СО2 и потребление трёх молекул первичного акцептора рибулозо-1,5-дифосфата, при этом осуществляется синтез шести молекул 3-фосфоглицеринового альдегида, из которых пять затрачиваются на регенерацию трёх молекул рибулозо-1,5-дифосфата и одна молекула 3-фосфоглицеринового альдегида остаётся как продукт темновой стадии фотосинтеза. Её синтез сопряжён с использованием биоэнергетических продуктов световой стадии фотосинтеза АТФ и НАДФ×Н.
Восстановленные динуклеотиды НАДФ×Н участвуют в реакции 3 цикла Кальвина, которая в ходе синтеза 6 молекул 3-фосфоглицери-нового альдегида повторяется 6 раз и, следовательно, в этих реакциях потребляются 6 молекул восстановленных динуклеотидов НАДФ×Н. АТФ участвует в реакции 2, которая, как и реакция 3, повторяется 6 раз, и в реакции 13, которая при синтезе 3 молекул первичного акцептора СО2 рибулозо-1,5-дифосфата повторяется 3 раза. Всего при связывании 3 молекул СО2 и восстановлении их до уровня 3-фосфоглицеринового альдегида потребляется 9 молекул АТФ.
Однако 3-фосфоглицериновый альдегид не накапливается в хлоропластах, он используется для синтеза гексозы. Часть молекул 3-фосфогли-церинового альдегида изомеризуется в фосфодиоксиацетон, который далее под действием альдолазы конденсируется с оставшимися молекулами 3-фосфоглицеринового альдегида и, таким образом, осуществляется синтез фруктозо-1,6-дифосфата. После гидролиза фруктозодифосфата с участием фруктозо-1,6-дифосфатазы образуется фруктозо-6-фосфат. Если учесть, что для синтеза фруктозо-6-фосфата потребуется связывание 6 молекул СО2 в первой реакции цикла Кальвина и все выше указанные превращения, связанные с синтезом одной молекулы 3-фосфоглицеринового альдегида, должны повториться еще раз, суммарное уравнение темновой стадии фотосинтеза может быть записано в следующем виде:
ферменты
6СО2 + 11Н2О + 18АТФ + 12НАДФ×Н + 12Н+ ¾® фруктозо-6-фосфат + 18АДФ +
+ 12НАДФ+ + 17Н3РО4 цикла Кальвина
В опытах с использованием СО2, меченного 14С, было показано, что в течение 1-3 минут после экспозиции растений в атмосфере 14СО2 все промежуточные продукты цикла Кальвина насыщаются меченым углеродом, а при более длительных экспозициях 14С обнаруживается уже в составе сахарозы, крахмала, органических кислот, аминокислот, липидов, белков и других органических веществ хлоропластов.
Следует отметить, что из всех реакций цикла Кальвина только первая и последняя (13) специфичны для фотосинтезирующих клеток, тогда как другие реакции могут протекать в любых других клетках и тканях фотосинтезирующих организмов в ходе синтеза, распада и превращений углеводов. При этом промежуточные метаболиты, образующиеся в цикле Кальвина, выводятся из этого цикла и потребляются для синтеза различных органических веществ в хлоропластах и листьях растений. Конечный продукт цикла Кальвина фруктозо-6-фосфат также включается в биосинтетические реакции, происходящие в фотосинтезирующих тканях, или превращается в транспортные формы, которые по сосудам флоэмы поступают в акцепторные органы растений.
Фотодыхание. Изучение механизма действия фермента рибулозоди-фосфаткарбоксилазы показало, что конкурентным ингибитором этого фермента является кислород, который конкурирует с СО2 при взаимодействии последнего с каталитическим центром ферментного белка. Поэтому при высокой концентрации кислорода и низкой концентрации СО2 в воздухе карбоксилирующая активность рибулозодифосфат-карбоксилазы понижается, но усиливается её оксигеназная способность, вследствие чего к рибулозо-1,5- дифосфату присоединяется не СО2, а кислород, в результате происходит расщепление рибулозо-1,5-дифосфата на 3-фосфоглицериновую и фосфогликолевую кислоты:
СН2О(Р) СООН
| |
С-ОН СН2О(Р) Н-С-ОН
|| | + |
С-ОН + О₂ ¾¾® СООН СН2О(Р)
| 2-фосфогли- 3-фосфоглице-
Н-С-ОН колевая кислота риновая кислота
|
СН2О(Р)
енольная форма
рибулозо-1,5-ди-
фосфата
фосфата
Образовавшаяся фосфогликолевая кислота под действием специфической
фосфатазы подвергается гидролизу с образованием неорганического фосфата и гликолевой кислоты:
СН2О(Р) фосфатаза СН2ОН
| + Н2О ¾¾® | + Н3РО4
СООН СООН
гликолевая
кислота
Гликолевая кислота подвергается дальнейшим превращениям в пероксисомах – субклеточных органеллах, функциональная деятельность которых тесно связана с процессами, происходящими в хлоропластах и митахондриях. В пероксисомах гликолевая кислота окисляется с участием фермента гликолатоксидазы и превращается в глиоксиловую кислоту:
СН2ОН гликолат- Н
| + О2 ¾¾¾¾® ½ + Н2О2
СООН оксидаза С=О
½
гликолевая СООН
кислота глиоксиловая
кислота
Продукт данной реакции Н2О2 разлагается под действием каталазы на воду и кислород, а глиоксиловая кислота аминируется от глутаминовой кислоты, превращаясь в аминокислоту глицин:
Н
½ + СН₂-СООН СН2NH2 СН2-СООН
С=О | аминотранс- | + |
½ СН2 ¾¾¾¾® СООН СН2
СООН | фераза глицин |
глиоксиловая СНNH2-СООН СО-СООН
кислота глутаминовая a-кетоглутаровая
кислота кислота кислота
Аминокислота глицин не накапливается в пероксисомах, а транспортируется из пероксисом в митохондрии, где участвует в синтезе аминокислоты серина (рис. …). Эту реакцию катализируют ферменты глициндекарбоксилаза и серинтрансгидрооксиметилаза, имеющая в активном центре в качестве кофермента тетрагидрофолиевую кислоту. В ходе реакции синтеза серина происходит также высвобождение СО2 и NH3, а также образование НАД×Н:
СН2NH2 +Н2О СН2ОН
| + НАД+ ¾¾® | + СО2 + NH3 + НАД×Н + Н+
CООН СНNH2
глицин |
СООН
серин
Образовавшийся в митахондриях серин может далее транспортироваться в пероксисомы и под действием аминотрансферазы передавать аминогруппу на молекулы пировиноградной кислоты. В результате этой реакции серин превращается в гидроксипировиноградную кислоту, а пировиноградная кислота в аминокислоту аланин:
СН2ОН СН3 СН2ОН СН3
| | аминотранс- | |
СНNH2 + С=О ¾¾¾® С=О + СНNH2
| | фераза | |
СООН СООН СООН СООН
серин пировино- гидроксипи- a-аланин
градная ровиноградная
кислота кислота
СН2ОН СН2ОН
| |
С=О + НАДФ×Н +Н+ ¾¾® СНОН + НАДФ+
| |
СООН СООН
гидроксипиро- глицериновая
виноградная кислота
кислота
Гидроксипировиноградная кислота восстанавливается в глицериновую кислоту с участием дегидрогеназы:
Продукт этой реакции глицериновая кислота может затем в хлоропластах фосфорилироваться и, превращаясь в 3-фосфоглицериновую кислоту, включаться в реакции цикла Кальвина:
СН2ОН СН2О(Р)
| глицераткиназа |
СНОН + АТФ ¾¾¾¾¾¾® СНОН + АДФ
| |
СООН СООН
глицериновая 3-фосфо-
кислота глицериновая
кислота
Таким образом, при взаимодействии пероксисом, хлоропластов и митохондрий в фотосинтезирующих клетках растений осуществляется процесс, связанный с поглощением О2 и высвобождением СО2, который называют фотодыханием. Кислород принимает участие в первой реакции, где он связывается вместо СО2 с молекулами рибулозо-1,5-дифосфата, и при окислении фосфогликолевой кислоты в пероксисомах. Выделение СО2 происходит в митохондриях в ходе синтеза аминокислоты серина.
В связи с тем, что при фотодыхании осуществляются превращения гликолевой кислоты – продукта разложения первичного акцептора СО2, синтезируемого в реакциях цикла Кальвина, за счёт таких превращений уменьшается количество связанной в ходе фотосинтеза СО2, в результате чего понижается урожайность растений. В опытах установлено, что в естественных условиях произрастания при повышенных температурах, снижающих концентрацию СО2 в хлоропластах, продуктивность растений вследствие интенсивного фотодыхания может понижаться на 30-40 %.
Исходя из этих данных, учёными–биохимиками сформулирована важнейшая задача для селекционеров и генетиков по выведению новых сортов сельскохозяйственных культур с пониженной скоростью фотодыхания. Одним из главных направлений такой работы является оптимизация структуры каталитического центра фермента рибулозодифосфаткарбоксилазы, направленная на усиление карбоксилазной и ослабление оксигеназной активности этого фермента. Для решения указанной проблемы большие надежды возлагаются на применение методов генетической и белковой инженерии.
Ассимиляция СО2 у С4-растений.
После открытия реакций цикла Кальвина различными исследователями изучалось фотозависимое включение меченного 14С углерода СО2 в первичные продукты фотосинтеза у разных групп растений. В ходе этих исследований было выяснено, что у зелёных водорослей и в листьях большинства растений умеренной зоны первичным продуктом фотосинтеза, в который происходит активное включение меченого 14С СО2 при коротких световых экспозициях, является С3-продукт – 3-фосфоглицериновая кислота, в связи с чем такие растения было предложено называть С3-растениями. А у многих других растений тропического происхождения радиоактивный углерод СО2 сначала включается в С4-продукты (щавелевоуксусная, яблочная, аспарагиновая кислоты), поэтому их называют С4-растениями. К типичным С4-растениям относятся кукуруза, сахарный тростник, сорго, просо, амарант, лебеда, некоторые виды Euphorbia, многие тропические злаки.
Последовательность биохимических реакций, связанная с использованием СО2 для синтеза дикарбоновых кислот в листьях С4-растений, впервые была представлена как циклический процесс австралийскими учёными М.Д. Хетчем и К.Р. Слэком и получила название цикла Хетча – Слэка.
С4-растения отличаются от С3-растений по строению листа. Их листья пронизаны сетью сосудисто-волокнистых пучков, которые окружены плотным слоем клеток обкладочной паренхимы, а вокруг этих клеток находится рыхлый слой клеток мезофилла листа. В клетках обкладочной паренхимы находятся крупные хлоропласты, почти не образующие гран; в них локализован фермент рибулозодифосфаткарбоксилаза и другие ферменты, катализирующие реакции цикла Кальвина. А в клетках мезофилла листа содержатся типичные для фотосинтезирующих тканей хлоропласты, в которых происходят фотохимические реакции и осуществляется синтез НАДФ×Н и АТФ.
Первичное связывание СО2 и включение его в состав органического вещества у С4-растений происходит в цитоплазме клеток мезофилла с участием фермента фосфопируваткарбоксилазы (4.1.1.31). Первичным акцептором СО2 служит фосфоенолпировиноградная кислота. В ходе реакции образуется щавелевоуксусная кислота и неорганический фосфат:
СН2 СН2-СООН (1)
| |
СО
(Р) + СО2 + Н2О ¾¾® СО-СООН + Н3РО4
| щавелевоуксус-
СООН ная кислота
фосфоенолпиро-
виноградная кислота
В опытах показано, что непосредственно с первичным акцептором взаимодействует не СО2, а бикарбонат-ионы (НСО3‾ ). Карбоксилирующий фермент фосфопируваткарбоксилаза представляет собой белок с высокой молекулярной массой (
400 тыс.), включающий 12 полипептидных субъединиц, с каждой из которых связан катион Mn2+. Молярная активность этого фермента во много раз выше карбоксилирующей активности фермента цикла Кальвина рибулозодифосфаткарбоксилазы, поэтому он способен эффективно катализировать образование щавелевоуксусной кислоты при низких концентрациях СО2, которые характерны для растений тропической зоны вследствие ухудшения растворимости СО2 в физиологической среде при повышенных температурах. Кроме того, фосфопируватккарбоксилаза не взаимодействует с кислородом и поэтому не может участвовать в фотодыхании, снижающем выход фотосинтетических продуктов.
Синтезированная в цитоплазме клеток мезофилла щавелевоуксусная кислота далее поступает в хлоропласты и с участием восстановленных динуклеотидов НАДФ×Н, являющихся продуктами световой стадии фотосинтеза, превращается там в яблочную кислоту. Данную реакцию катализирует фермент малатдегидрогеназа (1.1.1.37):
СН2-СООН СН2-СООН (2)
| + НАДФ×Н + Н+ ¾¾® | + НАДФ+
СО-СООН СНОН-СООН
щавелевоуксусная яблочная
кислота кислота
Одновременно с превращением в яблочную кислоту щавелевоуксусная кислота может вступать в реакцию переаминирования с образованием аспарагиновой кислоты:
СН2-СООН СН2-СООН СН2-СООН СН2-СООН
| + | аминотранс- | + |
СО-СООН СН2 ¾¾¾® СНNН2-СООН СН2
щавелевоуксус- | фераза аспарагиновая |
ная кислота СНNН2-СООН кислота СО-СООН
глутаминовая a-кетоглутаро-
кислота вая кислота
Затем яблочная кислота и аспартат диффундируют из клеток мезофилла в клетки обкладочной паренхимы (рис. 34). В хлоропластах этих клеток яблочная кислота подвергается окислительному декарбоксилированию с участием фермента малатдегидрогеназы декарбоксилирующей (1.1.1.40) с образованием пировиноградной кислоты и СО2:
СН2-СООН СН3 (3)
| + НАДФ+ ¾¾® | + НАДФ×Н + Н+ + СО2
СНОН-СООН С=О
яблочная |
кислота СООН
пировиноградная
кислота
Образовавшиеся в этой реакции СО2 и НАДФ×Н далее участвуют в реакциях цикла Кальвина, которые активно происходят в хлоропластах клеток обкладочной паренхимы. Чем интенсивней в них осуществляется декарбоксилирование, тем больше образуется СО2 и НАДФ×Н и, следовательно, тем больше СО2 связывается с первичным акцептором и восстанавливается до триоз в ходе реакций цикла Кальвина. Продукт декарбоксилирования яблочной кислоты – пировиноградная кислота не используется в цикле Кальвина, а диффундирует в клетки мезофилла листа, в хлоропластах которых она снова превращается в первичный акцептор СО2 – фосфоенолпировиноградную кислоту. Эту реакцию катализирует фермент пируватдикиназа (2.7.1.40), который способен за счёт гидролиза макроэргической связи АТФ осуществлять фосфорилирование с участием неорганического фосфата:
СН3 СН2 (4)
| + АТФ + Н3РО4 ¾¾® || + АМФ + Н4Р2О7
С=О СО
(Р)
| |
СООН СООН
пировино- фосфоенолпиро-
градная кислота виноградная кислота
У некоторых С4-растений (амарант, лебеда) декарбоксилирование яблочной кислоты происходит в митохондриях клеток обкладочной паренхимы и тогда в качестве биоэнергетического продукта образуются восстановленные динуклеотиды НАД×Н.
Аспарагиновая кислота, синтезируемая в клетках мезофилла листа, в хлоропластах обкладочной паренхимы вступает в реакции переаминирования, в ходе которых превращается в яблочную кислоту. А далее яблочная кислота подвергается превращениям, указанным в реакциях 3 и 4.
Таким образом, у С4-растений наблюдается разделение в пространстве биохимических процессов первичного связывания СО2 и образования продуктов темновой стадии фотосинтеза. Связывание СО2 происходит в клетках мезофилла листьев в ходе реакций цикла Хетча-Слэка и оно сопряжено с потреблением продуктов световой стадии фотосинтеза НАДФ×Н (при восстановлении щавелевоуксусной кислоты в яблочную) и АТФ (в ходе образования первичного акцептора СО2 фосфоенолпировиноградной кислоты из пировиноградной). Образование же продуктов темновой стадии фотосинтеза осуществляется в клетках обкладочной паренхимы, в которых функционирует цикл Кальвина, а донорами СО2 являются продукты цикла Хетча-Слэка (яблочная и аспарагиновая кислоты), подвергающиеся в клетках обкладочной паренхимы декарбоксилированию и создающие высокую концентрацию СО2 в этих клетках.
В ходе декарбоксилирования яблочной кислоты в клетках обкладочной паренхимы синтезируются также восстановленные динуклеотиды НАДФ×Н (или НАД×Н у некоторых растений). Следовательно, основное назначение цикла Хетча-Слэка – связывание СО2 с помощью фермента фосфопируваткарбоксилазы и перенос его в виде яблочной и аспарагиновой кислот из клеток мезофилла в клетки обкладочной паренхимы, где происходит высвобождение и создание высокой концентрации СО2, необходимой для более эффективной работы фермента цикла Кальвина рибулозодифосфаткарбоксилазы.
Одновременно с транспортом СО2 осуществляется также перенос из клеток мезофилла в клетки обкладочной паренхимы и восстановительного потенциала, так как при образовании яблочной кислоты в клетках мезофилла потребляются восстановленные динуклеотиды НАДФ×Н, а при декарбоксилировании яблочной кислоты в клетках обкладочной паренхимы восстановленные динуклеотиды снова синтезируются. И только на регенерацию первичного акцептора СО2 фосфоенолпировиноградной кислоты в клетках мезофилла затрачивается дополнительная энергия в виде молекул АТФ, что и определяет в целом дополнительные энергетические затраты на функционирование реакций цикла Хетча-Слэка. Эти дополнительные затраты энергии на реакции цикла Хетча-Слэка у С4-растений составляют около 15 % от всего количества энергии, потребляемого растениями для образования фотосинтетических продуктов.
Однако, если учитывать, что С4-растения обычно произрастают в засушливой зоне с высокой интенсивностью солнечной радиации, дополнительные затраты на функционирование цикла Хетча-Слэка у них не лимитированы солнечной энергией и поэтому не снижают эффективности фотосинтеза. Наоборот, у этих растений более интенсивно происходит связывание СО2 благодаря действию фермента фосфопируваткарбоксилазы, который не взаимодействует с кислородом и, следовательно, не инициирует реакции фотодыхания, снижающие продуктивность фотосинтеза. И этот фермент имеет очень сильно выраженную субстратную специфичность по отношению к СО2, поэтому способен эффективно связывать СО2 даже при низких его концентрациях, тогда как при таких условиях карбоксилирующая активность фермента рибулозофосфаткарбоксилазы у С3-растений очень сильно подавляется. Максимальная скорость включения СО2 в органические продукты у С4-растений может достигать 40-60 мг на 1 кв. дециметр поверхности листа, что в 1,5 раза выше, чем у С3-растений.
Исходя из указанных выше преимуществ перед С3-растениями, С4-растения имеют более высокий коэффициент использования солнечной энергии и поэтому способны давать более высокий выход биомассы на единицу возделываемой площади сельскохозяйственных угодий. Наибольшие преимущества перед С3-растениями они имеют в засушливых регионах, так как способны эффективно связывать СО2 даже при почти закрытых устьицах листьев, когда сильно понижается концентрация СО2. В более прохладных и влажных регионах, где интенсивность солнечной радиации понижена, С3-растения получают определённые преимущества перед С4-растениями, так как им не требуется дополнительная энергия для фиксации СО2, связанная с функционированием цикла Хетча-Слэка.
У суккулентных растений (сем. Сrassulaceae), которые также хорошо адаптированы к засушливым условиям, биохимические процессы связывания СО2 и включения его в реакции цикла Кальвина разграничены во времени. В связи с тем, что у этих растений днём устьица закрыты и нет поступления СО2 из окружающей атмосферы, поглощение и связывание СО2 происходит ночью под действием фермента фосфопируваткарбоксилазы, локализованного в цитоплазме клеток листа. Под действием фосфопируваткарбоксилазы к фосфоенолпировиноградной кислоте присоединяется СО2 и таким образом осуществляется синтез щавелевоуксусной кислоты, которая затем восстанавливается в яблочную кислоту. Последняя концентрируется в вакуолях клеток листа. Первичный акцептор СО2 фосфоенолпировиноградная кислота образуется в результате расщепления крахмала и осуществления реакций пентозофосфатного цикла (см. раздел «Дыхание»). А крахмал накапливается днем, когда интенсивно происходят поглощение солнечной энергии и синтез НАДФ×Н и АТФ, необходимых для функционирования цикла Кальвина. Продукты этого цикла активно используются для образования фотосинтетического крахмала.
Источником СО2 для функционирования цикла Кальвина в дневное время служит яблочная кислота, которая накапливается в вакуолях ночью. Она диффундирует в цитоплазму клеток и подвергается там дикарбоксилированию под действием декарбоксилирующей малатдегидрогеназы и высвобождает СО2, который поступает в хлоропласты и связывается там под действием фермента рибулозодифосфаткарбоксилазы, а затем подвергается восстановлению до уровня сахаров в реакциях цикла Кальвина. В результате декарбоксилирования яблочной кислоты образуется также пировиноградная кислота, которая под действием фермента пируватдикиназы фосфорилируется и превращается в фосфоенолпировиноградную кислоту. В дальнейшем фосфоенолпировиноградная кислота через ряд промежуточных реакций (см. раздел «Дыхание») превращается в триозофосфаты, которые затем участвуют в синтезе глюкозо-6-фосфата, используемого для образования фотосинтетического крахмала.
Механизмы образования и превращений триоз, эритрозы, пентоз и гексоз.
В фотосинтезирующих клетках моносахариды синтезируются в рассмотренных нами реакциях цикла Кальвина. Промежуточными продуктами этого цикла являются 3-фосфоглицериновый альдегид, фосфодиоксиацетон, эритрозо-4-фосфат, рибозо-5-фосфат, фруктозо-6-фосфат. Фосфодиоксиацетон и 3-фосфоглицериновый альдегид образуются также в ходе реакций анаэробной стадии дыхания. Главный механизм образования указанных выше моносахаридов в нефотосинтезирующих клетках – это ракции пентозофосфатного цикла.
В 1935-38 г.г. исследованиями ряда учёных было показано, что при ингибировании основного дыхательного пути углеводов процесс их окисления не прекращается, так как инициируются реакции превращения гексоз в пентозы на уровне фосфорнокислых эфиров, которые сопровождаются окислением и отщеплением от гексоз атомов углерода в виде СО2. Такой путь окисления гексоз имеет циклический механизм и получил название пентозофосфатного пути или пентозофосфатного цикла. Как и реакции цикла Кребса, пентозофосфатный путь окисления глюкозы инициируется в присутствии кислорода.
Все ферменты, катализирующие реакции пентозофосфатного цикла, локализованы в жидкой фазе цитоплазмы, а также в хлоропластах и пропластидах. Реакции этого цикла инициируются при усилении биосинтетических процессов, связанных с потреблением восстановленных динуклеотидов НАДФ×Н. В нефотосинтезирующих клетках реакции пентозофосфатного цикла являются основным источником этих восстановленных продуктов.
Повышение концентрации окисленной формы динуклеотидов НАДФ+ вызывает активацию дегидрогеназ, катализирующих ключевые реакции пентозофосфатного цикла. Кроме того, промежуточный продукт пентозофосфатного цикла 6-фосфоглюконовая кислота ингибирует фермент фосфофруктокиназу, инициирующий реакции гликолиза, что способствует переводу дыхательного процесса на пентозофосфатный путь окисления гексоз.
Н ОН О (1)
\ / //
С--------- С--------
| |
Н–С–ОН | Н–С–ОН |
| О + НАДФ+ ¾® | О + НАДФ×Н+ Н+
НО–С–Н | НО–С–Н |
| | |
Н–С–ОН Н–С–ОН |
| | |
Н–С--------- Н–С-------
| |
СН2О(Р) СН2О(Р)
глюкозо-6-фосфат лактон 6-фосфоглюконовой кислоты
В реакции пентозофосфатного цикла включаются фосфорили-рованные гексозы, которые изомеризуются в глюкозо-6-фосфат. В первой реакции этого цикла под действием фермента глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы (1.1.1.49) глюкозо-6-фосфат окисляется в лактон 6-фосфоглюконовой кис-лоты. Коферментом данной дегидрогеназы служит НАДФ+, с помощью которого от глюкозо-6-фосфата отщепляются 2 электрона и 2 протона:
С участием фермента глюконолактоназы (3.1.1.17) лактон далее превращается в 6-фосфоглюконовую кислоту:
О (2)
//
С-------- СООН
| |
Н–С–ОН Н–С–ОН
| | |
НО–С–Н О + Н2О → НО–С–Н
| | |
Н–С–ОН Н–С–ОН
| |
Н–С-------- Н–С–ОН
| |
СН2О(Р) СН2О(Р)
лактон 6-фосфоглюконовой 6-фосфоглюконовая
кислоты кислота
СООН СН2ОН (3)
| |
Н–С–ОН С=О
| |
НО–С–Н + НАДФ+ ¾® Н–С–ОН + НАДФ×Н + Н+ + СО2
| |
Н–С–ОН Н–С–ОН
| |
Н–С–ОН СН2О(Р)
|
СН2О(Р) рибулозо-5-фосфат
6-фосфоглюконовая кислота
На следующем этапе окисления от 6-фосфоглюконовой кислоты отщепляются 2 электрона и 2 протона и переносятся на НАДФ+ в каталитическом центре фермента фосфоглюконатдегидрогеназы (1.1.1.43) и под действием этого же фермента происходит отщепление СО2 от карбоксильной группы 6-фосфоглюконовой кислоты. Установлено, что для проявления каталитической активности этого фермента необходимо присутствие катионов Мn2+. В результате декарбоксилирования и сопряжённого с ним b-окисления из 6-фосфоглюконовой кислоты образуется рибулозо-5-фосфат:
Для осуществления дальнейших реакций пентозофосфатного цикла необходимо окисление в рибулозо-5-фосфат ещё одной молекулы глюкозо-6-фосфата, в связи с чем реакции 1, 2 и 3 повторяются, образуя восстановленные динуклеотиды НАДФ×Н и рибулозо-5-фосфат. После этого происходит изомеризация рибулозо-5-фосфата в ксилулозо-5-фосфат под действием фермента рибулозофосфатэпимеразы и в рибозо-5-фосфат – с участием фермента рибозофосфатизомеразы:
СН2ОН СН2ОН Н (4,5)
| | /
С=О С=О С=О
| | |
НО–С–Н D Н–С–ОН D Н–С–ОН
| | |
Н–С–ОН Н–С–ОН Н–С–ОН
| | |
СН2О(Р) СН2О(Р) H–C–OH
|
ксилулозо-5-фосфат рибулозо-5-фосфат СН2О(Р)
рибозо-5-фосфат
Далее вступает в действие фермент транскетолаза, который переносит концевой двууглеродный радикал с кетонной группой от ксилулозо-5-фосфата на рибозо-5-фосфат, в результате чего образуются два новых фосфата моносахаридов – седогептулозо-7-фосфат и 3-фосфоглицериновый альдегид:
СН2ОН СН2ОН Н (6)
| | /
С=О Н С=О С=О
| + | ¾® | ¾® |
НО–С–Н С=О НО–С–Н Н–С–ОН
| | | |
Н–С–ОН Н–С–ОН Н–С–ОН СН2О(Р)
| | | 3-фосфоглице-
СН2О(Р) Н–С–ОН Н–С–ОН риновый альдегид
| |
ксилулозо-5-фосфат Н–С–ОН Н–С–ОН
| |
СН2О(Р) СН2О(Р)
рибозо-5-фосфат седогептулозо-7-
фосфат
Затем под действием фермента трансальдолазы осуществляется перенос трёхуглеродного радикала от седогептулозо-7-фосфата на 3-фосфо-глицериновый альдегид с образованием фруктозо-6-фосфата и эритрозо-4-фосфата:
СН2ОН СН2ОН Н (7)
| Н | /
С=О / С=О С=О
| С=О | |
НО–С–Н | НО–С–Н Н–С–ОН
| + Н–С–ОН ¾® | + |
Н–С–ОН | Н–С–ОН Н–С–ОН
| СН2О(Р) | |
Н–С–ОН 3-фосфоглицери- Н–С–ОН СН2О(Р)
| новый альдегид | эритрозо-4-фосфат
Н–С–ОН СН2О(Р)
| фруктозо-6 фосфат
СН2О(Р)
седогептулозо-7-
фосфат
СН₂ОН фруктозо-6-фосфат
седогептулозо-7-фосфат
Образовавшийся фруктозо-6-фосфат в следующей реакции изомеризуется в глюкозо-6-фосфат с участием фермента глюкозофосфатизомеразы:
СН2ОН Н (8)
| /
С=О С=О
| |
НО–С–Н D Н–С–ОН
| |
Н–С–ОН НО–С–Н
| |
Н–С–ОН Н–С–ОН
| |
СН2О(Р) Н–С–ОН
фруктозо-6-фосфат |
СН2О(Р)
глюкозо-6-фосфат
СН2ОН Н СН2ОН Н (9) | / | /
С=О С=О С=О С=О
| | | |
НО–С–Н + Н–С–ОН ¾® НО–С–Н + Н–С–ОН
| | | |
Н–С–ОН Н–С–ОН Н–С–ОН СН2О Р
| | | 3-фосфоглице-
СН2О Р СН2О Р Н–С–ОН риновый аль-
ксилулозо-5-фосфат эритрозо-4- | дегид
фосфат СН2О Р
фруктозо-6-фосфат
Глюкозо-6-фосфат может снова включаться в реакции пентозофосфатного цикла, а эритрозо-4-фосфат, полученный в реакции 7, взаимодействует с ксилулозо-5-фосфатом, который возникает в результате окисления и декарбоксилирования третьей молекулы глюкозо-6-фосфата. Эту реакцию катализирует транскетолаза с образованием фруктозо-6-фосфата и 3-фосфоглицеринового альдегида:
СН2ОН Н СН2ОН Н (9) | / | /
С=О С=О С=О С=О
| | | |
НО–С–Н + Н–С–ОН ¾® НО–С–Н + Н–С–ОН
| | | |
Н–С–ОН Н–С–ОН Н–С–ОН СН2О(Р)
| | | 3-фосфоглице-
СН2О(Р) СН2О(Р) Н–С–ОН риновый аль-
ксилулозо-5-фосфат эритрозо-4- | дегид
фосфат СН2О(Р)
фруктозо-6-фосфат
Образовавшийся в реакции 9 фруктозо-6-фосфат так же, как и в реакции 8, изомеризуется в глюкозо-6-фосфат, а цикл реакций, указанный выше, повторяется ещё раз до образования второй молекулы 3-фосфо-глицеринового альдегида. В этих реакциях происходит окисление еще трёх молекул глюкозо-6-фосфата, однако две из них регенерируются из фруктозо-6-фосфата. Одна из молекул 3-фосфоглицеринового альдегида под действием фермента триозофосфатизомеразы изомеризуется в фосфодиоксиацетон, который далее взаимодействует со второй молекулой 3-фосфо-глицеринового альдегида с образованием фруктозо-1,6-дифосфата. Эту реакцию катализирует фермент альдолаза:
Н СН2О(Р) (10)
/ |
С=О СН2ОН С=О
| + | ¾® |
Н–С–ОН С=О НО–С–Н
| | | СН2О(Р) СН2О(Р) Н–С–ОН
3-фосфоглицери- фосфоди- |
новый альдегид оксиацетон Н–С–ОН
|
СН2О(Р)
фруктозо-1,6-дифосфат
СН2О(Р) СН2ОН (11)
| |
С=О С=О
| |
НО–С–Н + Н2О ¾® НО–С–Н + Н3РО4
| |
Н–С–ОН Н–С–ОН
| |
Н–С–ОН Н–С–ОН
| |
СН2О(Р) СН2О(Р)
фруктозо-1,6-
дифосфат фруктозо-6-фосфат
После этого от фруктозо-1,6-дифосфата в результате гидролиза отщепляется остаток фосфорной кислоты с образованием фруктозо-6-фосфата:
Полученный в данной реакции фруктозо-6-фосфат, как и в реакции 8, изомеризуется в глюкозо-6-фосфат, который вновь может включаться в реакции пентозофосфатного цикла.
Таким образом, в результате окисления шести молекул глюкозо-6-фосфата в реакциях пентозофосфатного цикла шесть раз происходит реакция декарбоксилирования с образованием шести молекул СО2, при этом 5 молекул глюкозо-6-фосфата регенерируются, поэтому фактически окислению подвергается одна молекула глюкозо-6-фосфата. При окислении каждой из шести молекул глюкозофосфата дважды прроисходят реакции дегидрирования и в конечном итоге в них синтезируются 12 молекул восстановленных динуклеотидов НАДФ×Н. Суммарное уравнение окисления глюкозо-6-фосфата в пентозофосфатном цикле можно записать в следующем виде:
С6Н11О6–(Р) + 12НАДФ+ + 7Н2О ¾® 6СО2 + 12НАДФ×Н + 12Н+ + Н3РО4
В реакциях пентозофосфатного цикла не происходят процессы субстратного фосфорилирования, а синтезируемые в этом цикле восстановленные динуклеотиды НАДФ×Н довольно медленно окисляются ферментами электронтранспортной цепи митохондрий, вследствиие чего пентозофосфатный цикл не является активным источником свободной энергии для синтеза АТФ. Однако восстановленные динуклеотиды НАДФ×Н обладают большим восстановительным потенциалом по сравнению с НАД×Н, в связи с чем активно используются в качестве восстановителей во многих окислительно-восстановительных реакциях, таких как синтез жирных кислот, восстановление нитритов, сульфатов, дисульфидных связей в пептидах и белках, превращение рибонуклеотидов в дезоксирибонуклеотиды и др.
В пентозофосфатном цикле осуществляется превращение гексоз в пентозы, которые могут выводиться из цикла и участвовать в различных биосинтетических процессах. Так, рибозо-5-фосфат является исходным соединением, с которого начинается синтез рибонуклеотидов, участвующих в образовании нуклеиновых кислот, макроэргических нуклеозидполифосфатов, а также коферментных группировок НАД, НАДФ, ФАД, ФМН, кофермента А. Рибулозо-5-фосфат, превращаясь в рибулозо-1,5-дифосфат, участвует в процессах темновой фиксации СО2, в которых также потребляются восстановленные динуклеотиды НАДФ×Н, синтезированные в пентозофосфатном цикле.
У растений и бактерий пентозофосфатный цикл является также важнейшим источником эритрозо-4-фосфата для синтеза шикимовой кислоты, из которой образуются многие ароматические и фенольные соединения.
В хлоропластах реакции пентозофосфатного цикла наиболее активно проходят в темноте, поддерживая в отсутствии света необходимый уровень НАДФ×Н для восстановительных процессов. А поддержание определённого уровня АТФ осуществляется за счет триозофосфатов, образующихся в пентозофосфатном цикле, которые превращаются в 3-фосфо-глицериновую кислоту, инициирующую реакции субстратного фосфорилирования.
Следует отметить, что в пентозофосфатном цикле синтезируются промежуточные метаболиты, которые могут включаться также в реакции гликолиза (фруктозо-6-фосфат, 3-фосфоглицериновый альдегид, фосфодиоксиацетон), поэтому между этими двумя дыхательными путями осуществляется постоянная связь. Взаимодействие между гликолизом и реакциями пентозофосфатного цикла осуществляется очень легко ещё и потому, что они локализованы в жидкой фазе цитоплазмы, в которой постоянно происходят процессы диффузии различных химических компонентов. В связи с этим очень трудно определить, какая из молекул гексозы и на каком этапе включается в реакции гликолиза или пентозофосфатного цикла. При благоприятных условиях развития растительных организмов 10 - 40% гексоз, окисляющихся при дыхании, подвергаются распаду через реакции пентозофосфатного цикла, а остальные преимущественно – в реакциях гликолиза и цикла Кребса.
В анаэробных условиях реакции цикла Кребса и пентозофосфатного цикла ингибируются и дыхание в основном осуществляется через гликолиз. Соотношение дыхательных реакций реализующихся в виде гликолиза и пентозофосфатного цикла, зависит от природы клеток и их функционального состояния. Активизация реакций пентозофосфатного цикла наблюдается при дефиците влаги, затемнении растений, недостатке элементов питания, поражении инфекцией, старении, интенсификации процессов, связанных с потреблением НАДФ×Н, рибозо-5-фосфата, рибулозо-5-фосфата, эритрозо-4-фосфата.
|
|
|
Скачать 2.84 Mb.