Материал: Рогожин В.В., Рогожина Т.В. Биохимия сельскохозяйственной продукции
Глава 7. Элементы
Аминокислотные остатки, содержащие серу, могут входить в состав активных центров ферментов, участвуя в каталитическом процессе. Сера
всоставе глутатиона обеспечивает участие трипептида в окислительновосстановительных реакциях. В составе кофермента А сера участвует
вреакциях трансаминирования, т. е. переносе ацильного радикала и его превращении в цикле трикарбоновых кислот, и в процессе синтеза жир-
ных кислот. Превращение ацетил- и сукценилрадикалов ферментами пируватдегидрогеназного и α-кетоглуторатдегидрогеназного комплексов осуществляется при участии липоевой кислоты.
Вмолодых листьях сера в основном находится в составе органических соединений. При старении растений сера накапливается в виде сульфата кальция. Недостаток серы сопровождается угнетением процесса биосинтеза белков, понижением фотосинтетической активности хлоропластов.
Цинк. Присутствует в растительных тканях в виде ионов Zn2+. Входит
всостав ключевых ферментов метаболических процессов карбоангидразы, фосфоглицеринальдегиддегидрогензы, лактатдегидрогеназы, глутаматдегидрогеназы, алкогольдегидрогеназы, тимидинкиназы, РНК- и ДНКполимераз и др. Алкогольдегидрогеназа проявляет высокую активность
всеменах злаковых культур. Фермент катализирует окисление спиртов и восстановление альдегидов в присутствии коферментов НАД+ и НАДН. В составе холофермента две субъединицы (дрожжевая АДГ имеет четыре субъединицы), каждая из которых содержит по два атома цинка. Причем один атом цинка входит в состав каталитического центра фермента, располагаясь вблизи спиртовой оксигруппы. Этот ион цинка принимает участие в прямом гидридном переносе между субстратом и коферментом. В координировании атома цинка принимают участие два остатка цистеина и остаток гистидина. Четвертый координационный центр металла занят молекулой воды.
Из листьев шпината, петрушки и других растений выделен фермент карбоангидраза. Молекулярная масса фермента 140…170 кДа. Фермент содержит атом цинка, который участвует в каталитическом процессе гидратации СО2:
СО2 + Н2О ←→ Н2СО3 ←→ Н+ + НСО3–
Кроме того, ионы Zn2+ активируют ферменты, принимающие участие в синтезе индолил-3-уксусной кислоты из триптофана. Поэтому увеличение содержания цинка сопровождается ускорением роста и развития растений.
Молибден. Входит в состав ксантиноксидазы, ксантиндегидрогеназы, нитратредуктазы, нитрогеназы, сульфитоксидазы и альдегидоксидазы. Располагаясь в активном центре фермента, атом молибдена образует связь с серой, принадлежащей остатку цистеина. Кофактором молибденсодер-
113
Глава 7. Элементы
жащих ферментов служит флавиновая группа. Для растений молибден имеет наибольшую значимость в составе ферментов азотного обмена. Так, в нитрогеназе атом молибдена представлен в комплексе с железом. Нитрогеназа катализирует реакцию восстановления N2 до NH3.
Ферментативные реакции восстановления нитратов до нитритов и аммиака протекают при участии двух молибденсодержащих ферментов: НАДН-нитратредуктазы и ферредоксин-нитритредуктазы. Нитратредуктаза обладает также НАДФН-цитохром-с-редуктазной и ФАДН-нитратре- дуктазной активностью.
Ксантиноксидаза участвует в метаболизме пурина и его производных, тогда как альдегидоксидаза относится к флавогемопротеинам, катализирует реакции окисления альдегидов и производных хинолина и пиридина.
Железо. В растительном организме железо находится в виде восстановленной Fe2+- или окисленной Fe3+-формах. Входит в состав железосодержащих белков и ферментов (ферритин, пероксидаза, каталаза, ци- тохром-с-пероксидаза, цитохромоксидаза и др.), проявляет действие при наличии окисленной формы. Причем все гемсодержащие белки обладают пероксидазной активностью. Железо в составе протопорфирина IX принимает участие в окислительно-восстановительных реакциях фотосинтетического и окислительного фосфорилирования в составе цитохромов и ферридоксина.
Переносчиком железа в растительном организме служит ферритин. Этот белок способен связывать железо в нетоксичной и легко доступной форме. Железо, связанное с белком, образует комплексы гидратированного оксида железа с фосфат-ионом [(FeOOH)8(FeO:OPO3H2)]. Освобождение железа происходит после разрушения белка или путем восстановления до Fe2+ или образования хелатных соединений. Восстанавливающими Fe3+ → Fe2+ соединениями могут быть цистеин, аскорбиновая кислота
иглутатион. Ферритин больше всего накапливается в пластидах растительной клетки.
Хлор. Анионы Cl– совместно с ионами Na+ и K+ поддерживают осмотическое давление клеток. Ионы хлора обеспечивают формирование трансмембранного потенциала.
Медь. Содержится в растительных тканях в форме иона Cu2+. Особенно много ее накапливается в семенах и активно растущих частях растения. Входит в состав медьсодержащих белков и ферментов (аскорбатоксидаза, ортодифенолоксидаза, лакказа, галактозооксидаза, тиразиноксидаза, цитохромоксидаза, уратоксидаза, полифенолоксидаза, супероксиддисмутаза
идругие оксидоредуктазы), участвуя в их функционировании. Так, окисление аскорбиновой кислоты в дегидроаскорбиновую протекает в две последовательные одноэлектронные стадии при участии аскорбатоксидазы. В ходе реакции происходит образование промежуточного свободного
114
Глава 7. Элементы
радикала, обнаруживаемого методом ЭПР. В процессе этой реакции медь, попеременно восстанавливаясь, окисляется. В реакции участвует кислород, который восстанавливается до перекиси водорода.
Медь также входит в состав ферментов, катализирующих окисление аминокислот. Так, тирозиназа при окислении катехинов катализирует реакцию восстановления кислорода до воды. Таким образом, медьсодержащие белки участвуют в процессах гидроксилирования, переноса кислорода и электронов. Недостаток меди в растительных тканях сопровождается замедлением роста и развития растения, потерей тургура и завяданием листьев.
Кобальт. Присутствует в живых организмах в виде Со2+ и Со3+. Кобальт входит в состав трансфераз, изомераз и дипептидазы. Ускоряет протекание ферментативной реакции с участием пируваткарбоксилазы, рибофлавинкиназы, щелочной фосфатазы, аргиназы, каталазы, альдолазы и др. В составе гемсодержащих белков (таких как каталаза, цитохромы и др.) участвует в синтезе пуриновых и пиримидиновых оснований, холина, метионина. Кроме того, входит в состав витамина В12, который синтезируется микроорганизмами.
Селен. В растительном организме селен действует как антиоксидант, т. е. подавляет образование свободных радикалов. Входит в состав глутатионредуктазы и глутатионпероксидазы. Селен способен регулировать накопление гидроперокси- и гидроксипроизводных ненасыщенных жирных кислот (RH) и фосфолипидов, образование которых сопровождается следующей реакцией:
RH + O2 → ROOH
Восстановление гидропероксидов (ROOH) может протекать при участии глутатиона (Г-SH) в присутствии глутатионтрансферазы (1). Регенерация глутатиона осуществляется НАДФН и катализируется глутатионредуктазой (2).
1
ROOH + 2Г-SH → ROH + ГS-SГ + H2O
2
НАДФН + Н+ + ГS-SГ → НАДФ+ + 2Г-SH
Недостаток селена может сопровождаться проявлением апоптоза, т. е. угнетением роста и развития растений, преждевременным увяданием листьев.
Кремний. В природе кремний встречается в виде Si4+. В растительных и животных тканях Si4+ присутствует в водорастворимой форме в составе ортокремниевой кислоты и ортокремниевых эфиров. В составе органических соединений растительных тканей Si4+ образует ортокремниевые
115
Глава 7. Элементы
эфиры оксиаминокислот, оксикарбоновых кислот, полифенолов, углеводов, стеринов, а также Si–N-производные аминокислот, аминоуглеводов и пептидов. В форме ортокремниевых эфиров Si связан с фосфолипидами, белками и пектинами.
В растительных тканях кремний входит в состав полиуронидов (пектиновой и альгиновой кислот). На одну молекулу пектина цитрусовых приходится от 10 до 20 атомов кремния. В растениях содержится 0,02…0,15% кремния, а в наиболее богатых кремнием растениях накапливается его до 5%. В основном кремний накапливается в листьях и хвое. Так, в листьях ольхи содержится 0,9% кремния, а в листьях ивы — 2,1%. Высокое содержание Si4+ наблюдается в надземной части травянистых растений (в %): полынь австрийская — 1,6; полынь черная — 2,9; астрагал — 1,2; лапчатка — 1,1; горечавка холодная — 0,9; очиток — 3,6; родиола линейнолистная — 2,9. В некоторых растениях содержание растворимого кремния может составлять от 3,3% (ситник) до 11,2% (хвощ лесной) от общего количества кремния в растении. В народной медицине отвары из кремниефильных растений (хвоща, тысячелистника) используются при нарушении свертываемости крови.
ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ
1. Назовите основных представителей макро- и микроэлементов растений. 2. Раскройте биологическую роль натрия и калия. 3. Расскажите о роли ионов Mg2+ и Mn2+ в метаболических процессах. 4. Назовите биогенные молекулы энергетических процессов, в состав которых входят фосфор и сера. 5. Опишите значение кальция в растительных тканях. 6. Раскройте роль цинка в жизнедеятельности растений. 7. Назовите основные гемсодержащие белки и расскажите об их биологической роли. 8. Расскажите об участии ионов Cl – в метаболических процессах. 9. Опишите механизмы действия медьсодержащих белков. 10. Расскажите о роли молибдена в функционировании азотфиксирующих ферментов. 11. Расскажите об антиоксидантной роли селена в растительных тканях.
ГЛАВА 8
ФЕРМЕНТЫ
Ферментами (энзимами) являются белки, имеющие функционально активную третичную или четвертичную структуру, обладающие каталитической активностью. В клетках живых организмов ферменты осуществляют контроль над протеканием химических реакций, определяют их направленность и скорость. С помощью ферментов проявляется специфичность и индивидуальность химических реакций в клетках растений и животных. Так как ферменты являются белками, то их синтез находится под контролем информативных молекул (ДНК и РНК) клеток, а информация об их первичной структуре записана в геноме растений и животных.
Химические реакции сопровождаются затратами энергии, запас которой обуславливает действие молекул, вступающих во взаимодействие. Суммарный запас энергии, необходимый для протекания химической реакции, называется энергией активации ( Е) и может быть выражен следующим образом:
Е = (Е1 + Е2) + (Е3 + Е4) или Е = Е1 + Е2
При этом затраты энергии необходимы для ориентации молекул в пространстве (Е1), сближения их относительно друг друга (Е2), а также энергетическими затратами используемых для разрыва старых связей (Е3) и образования новых связей (Е4). Запас энергии Е1 реализуется в движении молекул и определяется величиной энтропии, тогда как Е2 является энергией, запасаемой в связях, определяемой величиной энтальпии. При протекании ферментативной реакции Е1 служит энергией, обеспечивающей связывание субстрата в области активного центра фермента, тогда как Е2 — энергия, обуславливающая превращение субстрата в активном центре.
Величина энергетического барьера определяет возможность осуществления химической реакции. Чем выше это значение, тем медленнее протекает химический процесс.
117