Материал: Казаков Е.Д., Карпиленко Г.П. - Биохимия зерна и хлебопродуктов

ГЛАВА 11

В конечных звеньях гликолиза 3-фосфоглицериновый аль- дегид превращается при помощи ряда ферментов в 2-фосфо- глицериновую кислоту, из которой под воздействием фосфо- пируватгидратазы образуется пировиноградная кислота.

Из одной молекулы глюкозы образуется две молекулы пи- ровиноградной кислоты.

§ 4. ПРЕВРАЩЕНИЯ ПИРОВИНОГРАДНОЙ КИСЛОТЫ ПРИ БРОЖЕНИИ

При спиртовом брожении, вызываемом микробами или происходящем в растительных тканях, пировиноградная кис- лота расщепляется под действием фермента пируватдекарбок- силазы на СО2 и уксусный альдегид, который вступает во взаи- модействие с ранее образовавшимся NADH при окислении фосфоглицеринового альдегида в фосфоглицериновую кисло- ту. Образуется этиловый спирт и регенерируется молекула NAD+. Реакция восстановления уксусного альдегида катали- зируется ферментом алкогольдегидрогеназой (1.1.1.1), у кото- рой кофермент NAD+.

Превращения пировиноградной кислоты при спиртовом брожении иллюстрируются следующей схемой:

При молочнокислом брожении расщепления пировино- градной кислоты пируватдекарбоксилазой не происходит, и пировиноградная кислота восстанавливается с участием фер- мента лактатдегидрогеназы (1.1.1.27), превращаясь в молоч- ную кислоту:

_______________________________________ ДЫХАНИЕ РАСТЕНИЙ

При детальном рассмотрении всех промежуточных реак- ций гликолиза устанавливается, что при анаэробном превра-

щении глюкозы в пировиноградную кислоту расходуется две молекулы АТР, а в более поздних реакциях синтезируется че- тыре молекулы АТР. Таким образом, количество энергии, за- пасаемой в виде АТР при спиртовом и молочнокислом бро- жении, эквивалентно всего лишь двум высокоэнергетическим связям АТР на один моль сброженной глюкозы, что равно около 60 кДж.

§ 5. МЕХАНИЗМ ДЫХАНИЯ

Полное окисление пировиноградной кислоты при аэроб-

ном дыхании в митохондриях идет через ряд промежуточных этапов, катализируемых соответствующими ферментами.

Последовательность и взаимосвязь превращений пиро- виноградной кислоты с конечным окислением до СО2 и Н2О установлена английским биохимиком Г. А. Кребсом, и по- лучила название цикла трикарбоновых кислот — цикла Креб- са.

На схеме цифры в скобках соответствуют номерам реакций и названиям соответствующих ферментных систем.

ГЛАВА 11_________________________________________________________________

Цикл Кребса начинается с того, что пировиноградная кис-

лота под действием пируваткарбоксилазы при участии АТР конденсируется с молекулой СО2 и образует при этом щавеле- во-уксусную кислоту, которая легко превращается в свою енольную форму:

НООС-СН = С(ОН)-СООН

В результате окислительного декарбоксилирования второй молекулы пировиноградной кислоты образуется молекула СО2

__________________________________________ДЫХАНИЕ РАСТЕНИЙ

и ацетильный радикал, связанный с коэнзимом А. Реакция катализируется сложной каталитической системой — много- ферментным комплексом пируватдекарбоксилазы. В этой ре- акции необходимы NAD+, липоевая кислота, тиаминпирофос- фат, FAD и кофермент (СоА). Кофермент А (коэнзим А, СоА) представляет собой аденозиндифосфат, соединенный с остат- ком пантотеновой кислоты, который связан с остатком мер- каптоэтиламина. Кофермент А играет исключительно важную роль в обмене веществ.

Окислительное декарбоксилирование пировиноградной кислоты и других а-кетокислот сопровождается возникно- пением высокоэнергетических связей. Молекула енольной формы щавелево-уксусной кислоты конденсируется с аце- тильным радикалом, образуя лимонную кислоту, реакция ка- тализируется ферментом цитратсинтазой (4.1.3.7). Далее ли- монная кислота превращается в цис-аконитовую кислоту, затем в изолимонную, они видимо катализируются одним ферментом — аконитатгидратазой (4.2.1.3). Образование и перенос ацетильного остатка на щавелево-уксусную кислоту под действием цитрат-синтазы с синтезом, в конечном сче- те, лимонной кислоты происходит при участии кофермента А. Ацетилкофермент A (CH3CO~S—СоА) содержит высоко- энергетическую тиоэфирную связь, при гидролизе которой освобождается 32,2 кДж/М.

Перенос ацетильных остатков при участии СоА играет так- же важную роль в биосинтезе жирных кислот и во многих дру- гих реакциях. Этот кофермент является важнейшим ацилиру- ющим агентом клетки. Рассмотренная выше изолимонная кислота декарбоксилируется под влиянием NAD — специфич- ной изоцитратдегидрогеназы (1.1.1.41) с образованием а-ке- тглютаровой кислоты и СО2. Далее при окислительном де- карбоксилировании а-кетоглютаровой кислоты выделяется молекула СО2 и возникает янтарная кислота. Эта кислота за- тем окисляется под действием фумарат-гидратазы (4.2.1.2) и, присоединяя молекулу воды, образует яблочную кислоту. Де- гидрогенизация яблочной кислоты под действием NAD — спе- цифичной малат-дегидрогеназы (1.1.1.37) приводит к образо- ванию щавелево-уксусной кислоты, способной снова вступить

ГЛАВА 11

в реакцию конденсации с новой молекулой ацетил-СоА. Цикл замыкается — все реакции окислительной диссимиляции пи- ровиноградной кислоты начнутся снова.

§ 6. СУММАРНЫЙ БАЛАНС ДЫХАНИЯ

Анализ цикла Кребса показывает, что окисление одной молекулы пировиноградной кислоты сопровождается выде- лением 3 молекул диоксида углерода (реакции 1, 5 и 6) и отня- тием 5 пар водородных атомов (реакции 1, 5, 6, 7, 9). Водород, отнятый дегидрогеназами от того или иного соединения в ре- акции на 1, 5, 6, 7 и 9-м этапах цикла трикарбоновых кислот, с помощью цитохромной системы окисляется до Н2О кислоро- дом воздуха.

Суммарно балансовое уравнение окисления пировиноград- ной кислоты можно представить так:

Из уравнения следует, что кислород воздуха, активизируе- мый цитохромной системой, потребляется на окисление во- дорода пировиноградной кислоты и водорода Н2О, присоеди-

няющейся к соответствующим субстратам на определенных этапах цикла.

При сокращении в уравнении окисления пировиноградной кислоты получится следующее балансовое уравнение:

С3Н4О3 + 5О —> ЗСО2 + 2Н2О

Учитывая, что из одной молекулы глюкозы в процессе ее анаэробного расщепления образуется две молекулы пирови- ноградной кислоты, а также то, что при окислении фосфогли- церинового альдегида в фосфоглицериновую кислоту от каж- дой окисляемой молекулы отнимаются два атома водорода,

которые окисляются в конце концов кислородом воздуха до

___________________________________________ДЫХАНИЕ РАСТЕНИЙ

воды, можно подвести баланс израсходованных и образовав- шихся веществ и получить в итоге обычное суммарное уравне- ние аэробного дыхания.

§ 7. ПРОЦЕССЫ ДЕГИДРОГЕНИЗАЦИИ

Дальнейшее раскрытие механизма дыхания заключается в том, что окисление любого из соединений, образующихся на первом, общем для брожения и дыхания этапе, или на втором, раздельном для брожения и дыхания, начинается с дегидроге- низации — отнятия водорода от данного соединения соответ- ствующей пиридиновой дегидрогеназой. Два компонента ато- ма водорода (электрон и протон) отделяются друг от друга, таким образом, основной источник клеточной энергии, необ- ходимой для биохимических превращений — электрон.

Электрон водорода, отнятого от субстрата пиридиновыми дегидрогеназами, воспринимают флавиновые ферменты и при участии негеминовых железопротеидов и ряда жирораствори- мых хинонов, называющихся убихинонами (коферментов Q), передают цитохромной системе. Цитохромная система окис- ляет водород, присоединяя к нему кислород воздуха с образова- нием воды или пероксида водорода. Основу убихинонов (ко- ферментов Q7, Q8, Q9...QI2) составляет следующая структура:

Коферменты Q являются, таким образом, производными 2,3-диметокси-5-метилбензохинона. Если п = 9, то это ко- фермент Q9, если п = 8, то кофермент Q8 и т. д. Они легко восстанавливаются, образуя соответствующие гидрохиноны.

ГЛАВА 11

Субстратами дыхания, окисляющимися в результате от- нятия водорода с помощью анаэробных (пиридиновых) де- гидрогеназ, служат фосфоглицериновый альдегид, возника- ющий в анаэробной фазе дыхания, или пировиноградная, изолимонная, а-кетоглютаровая и яблочная кислоты, обра- зующиеся в цикле Кребса. Реакции цикла трикарбоновых кислот и переноса водорода и электронов в процессе дыха- ния происходят в органеллах цитоплазмы — митохондриях. Митохондрия — высокоорганизованная структура, похожая

на многокамерный мешочек обычно удлиненной формы с эластичной мембраной, образующей ряд ответвлений (крист) как бы разделяющих внутренность митохондрии на отдель- ные, соединяющиеся между собой камеры (см. рис. 2).

Внутренняя часть митохондрии — матрикс заполнена по- лужидким содержимым. Мембрана митохондрии содержит 65% белка и 35% липидов. Липиды митохондрии богаты не- насыщенными жирными кислотами. В двойном липидном слое мембраны «утоплена» часть белков (интегральные бел- ки), а другая их часть (периферические белки) электростати- ческими или водородными связями слабо прикреплена к по- верхности мембраны. Подобное строение свойственно всем мембранам клетки, отделяющим от цитоплазмы ту или иную субклеточную структуру. Двойной липидный слой мембраны имеет «толщину» примерно 6 нм. В клетке высших растений, в зависимости от размеров и типа клетки, имеются сотни и даже тысячи митохондрий.

Митохондрии образно считают «силовыми станциями» клетки. В них происходят реакции цикла Кребса.и связанные с ними окислительные процессы, заканчивающиеся окисли- тельным фосфорилированием и синтезом АТР. Ферментные системы цикла Кребса сосредоточены в матриксе, а фермент- ные системы окисления — в мембране.

§ 8. ОКИСЛИТЕЛЬНОЕ ФОСФОРИЛИРОВАНИЕ

Окисление митохондриями в процессе дыхания тех или иных веществ сопровождается поглощением неорганического фосфора и синтезом аденозинтрифосфата. Энергетический

ДЫХАНИЕ РАСТЕНИЙ

баланс процесса окисления молекулы глюкозы при аэробном дыхании складывается в следующем виде: превращения глю- козы до пировиноградной кислоты в анаэробной форме ды- хания приводит к возникновению двух молекул АТР.

Окисление образовавшихся при этом двух молекул NADH в процессе дыхания сопровождается фосфорилированием ADP и образованием шести молекул АТР.

Окисление образовавшихся из глюкозы в анаэробной фор- ме двух молекул пировиноградной кислоты до ацетил-СоА сопровождается образованием двух молекул NADH, при окис- лении которых возникает шесть молекул АТР.

При полном окислении двух молей ацетил-СоА в цикле Кребса возникают 24 молекулы АТР. Следовательно, в итоге полного окисления молекулы гексозы до СО2 и Н2О образуется энергия, соответствующая 38 высокоэнергетическим свя-зям АТР. При сравнении «выхода» энергии, запасаемой в виде ЛТР при брожении и кислородном дыхании, видно, что дыхание — процесс в энергетическом отношении в 19 раз более выгодный, чем брожение.

§ 9. РАЗЛИЧИЯ МЕЖДУ ГОРЕНИЕМ И ДЫХАНИЕМ

Из уравнения дыхания видно, что основной субстрат дыха- ния в тканях высших растений — углеводы. Но это не значит, что другие вещества (белки, жиры и др.) не могут вовлекаться в процесс дыхания. Трудно назвать соединение, для которого не были бы известны пути окислительного распада. Промежу-точные продукты этого распада включаются в основное русло окислительного распада углеводов.

Суммарная (балансовая) реакция дыхания не дает представ- ления об огромном разнообразии превращении глюкозы, пока она не превратится в воду и диоксид углерода. Окисление, происходящее при дыхании, резко отличается от процесса горения по своим движущим силам и внутреннему механизму.

Дыхание отличается от горения тремя особенностями:

1. Активизация кислорода при горении происходит под влиянием высокой начальной температуры, которая самопро-

извольно поддерживается в течение всего периода горения под

ГЛАВА 11

действием тепловой энергии, выделяющейся в результате хи- мического процесса окисления сжигаемого вещества (аутоок- сидация). Процесс дыхания происходит с обязательным учас- тием ферментов при обычной температуре.

Открытие дыхательных ферментов привело к современным представлениям о сущности биологического окисления, ко- торая заключается прежде всего в том, что независимо от ве- щества, вовлеченного в процесс дыхания, универсальным био- логическим горючим служит водород дыхательного субстрата, окисляемый кислородом воздуха до воды.

2.Энергия при дыхании выделяется не сразу, а мелкими порциями. И все это происходит потому, что водород и элект-

роны передаются к кислороду воздуха с помощью ферментов по особой цепи переносчиков, имеющейся в клетке и входя щей в митохондрии.

3.Выделение энергии небольшими частями позволяет за пасать ее в форме специальных химических связей, называе мых высокоэнергетическими. Соединение, аккумулирующее энергию, выделяемую при дыхании, — аденозинтрифосфор- ная кислота (АТР), которая образуется на нескольких этапах в общей цепи процесса дыхания.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Для чего необходимо дыхание живому организму?

2.Какие вещества зерна участвуют в процессе дыхания?

3.Каковы начальные и конечные продукты при дыхании?

4.Какие условия необходимы для дыхания?

5.Что представляют собой процессы брожения, каковы их конечные продукты?

6.В чем заключается генетическая связь между процессами брожения и дыхания?

7.Какие процессы протекают на общем этапе брожения и дыхания (гликолизе)?

8.В чем заключается механизм дыхания?

9.Каковы различия между процессами горения и дыхания?

320

Глава 12

БИОХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ СОЗРЕВАНИИ И ПРОРАСТАНИИ ЗЕРНА

§1. СОЗРЕВАНИЕ ЗЕРНА

Основная направленность процесса созревания зерна заключается в том, что образовавшиеся в зеленых листьях и стебле кристаллические вещества (сахара, аминокислоты, амиды и т. д.) перемещаются в растворенном виде в колос, а затем в зерно. В зерне растворенные низкомолекулярные орга- нические вещества превращаются в высокомолекулярные не- растворимые запасные вещества (белки, углеводы, жиры), ко- торые заполняют клетки эндосперма, алейронового слоя и зародыша. Процессы созревания тесно связаны с действием ферментов. При созревании зерна активность ферментов по- степенно падает и стабилизируется на невысоком уровне, ха- рактерном для полностью созревшего зерна.

Из рисунка 46 видно, что на ранних фазах созревания зерна

почти половина его сухого вещества состоит из Сахаров и растворимых левулезанов. По мере созревания зерна количе- ство высокомолекулярных углеводов — крахмала и гемицел- люлоз постепенно возрастает, а содержание Сахаров и левуле- занов соответственно убывает. Образование нерастворимых полисахаридов происходит за счет притекающих в зерно ра- створимых углеводов.

Характер изменения содержания азотистых веществ в созревающем зерне пшеницы показан на рисунке 47. При со- зревании зерна количество свободных аминокислот в нем по- степенно уменьшается, а содержание белка возрастает. Сле- довательно, в созревающем зерне синтез белков идет за счет аминокислот. Качественный состав накапливаемых при созре- вании белковых веществ все время изменяется (рис. 48).

321