Материал: Рогожин В.В., Рогожина Т.В. Биохимия сельскохозяйственной продукции

Глава 10. Метаболизм углеводов

кетолаза и трансальдолаза, катализирующие превращение изомерных пентозо-5-фосфатов.

Реакции, катализируемые транскетолазой, протекают при участии тиаминпирофосфата, выполняющего роль переносчика гликоальдегидной группы. В реакции с ксилулозо-5-фосфатом группа переносится на рибо- зо-5-фосфат с участием транскетолазы (6). В результате ферментативной реакции образуется седогептулозо-7-фосфат и 3-фосфоглицериновый альдегид. В реакции с ксилулозо-5-фосфатом группа переносится на эритро- зо-4-фосфат с образованием фруктозо-6-фосфата и 3-фосфоглицерино- вого альдегида. Трансальдолаза (7) катализирует реакции переноса остатка диоксиацетона от седогептулозо-7-фосфата на 3-фосфоглицериновый альдегид с образованием эритрозо-4-фосфата и фруктозо-6-фосфата. Суммарное уравнение пентозофосфатного пути окисления углеводов можно представить в следующем виде:

6(Г-6-Ф) + 7(Н2О) + 12(НАДФ+) → 5(Г-6-Ф) + 6(СО2) + Фн + 12(НАДФН2)

Таким образом, реакции ПФП протекают в цитоплазме клетки. Окислительный этап ПФП завершается восстановлением двух молекул НАДФ+, которые в дальнейшем могут принять участие в реакциях синтеза липидов (биосинтез жирных кислот, холестерина и др.). Наличие схожих промежуточных продуктов ПФП и гликолиза позволяет предположить, что эти процессы способны взаимно дополнять друг друга и регулировать скорость протекания. Продукты ПФП могут служить пластическим материалом при формировании биогенных молекул (нуклеотидов). У животных активность ферментов ПФП возрастает в печени, надпочечниках, эмбриональной ткани и в молочной железе в период лактации. Лимитирующей ферментативной реакцией ПФП является реакция, катализируемая глюкозо-6-фос- фатдегидрогеназой. Ферменты ПФП совместно с ферментами гликолиза способствуют взаимному превращению трех-, четырех-, пяти-, шести-, семиуглеродных углеводов путем обратимого переноса двухили трехуглеродных остатков (гликольальдегидных или диоксиацетоновых групп), осуществляемых с участием транскетолазы и трансальдолазы.

10.10.ПРОЦЕСС СИНТЕЗА АСКОРБИНОВОЙ КИСЛОТЫ

Аскорбиновая кислота (см. п. 6.1) является одним из наиболее распространенных в живых организмах витамином. Активно синтезируется в растительных тканях. Однако витамин отсутствует в семенах и зерновках высших растений, но начинает активно вырабатываться с первых дней их прорастания. Высокое содержание аскорбиновой кислоты отмечается

168

10.10. Процесс синтеза аскорбиновой кислоты

в листьях, плодах и корнеплодах. Особенно богаты витамином плоды шиповника и черной смородины. В растениях аскорбиновая кислота синтезируется из гексоз (глюкоза и галактоза). Один из возможных путей синтеза аскорбиновой кислоты показан на рис. 10.12.

Глюкоза

Уридиндифосфатглюкоза

УДФ-глюкуроновая кислота

УДФ Глюкуроновая кислота

Гулонолактон

8О2

Н2О2 Аскорбиновая кислота

Рис. 10.12. Реакции синтеза аскорбиновой кислоты из глюкозы (1 — гексокиназа, 2 — фосфоглюкомутаза, 3 — глюкозо-1-фосфат-уридил-

трансфераза, 4 — УДФ-глюкозодегидрогеназа, 5 — УДФ-глюкуронатгидролаза, 6 — глюкуронатредуктаза, 7 — альдонолактоназа, 8 — гулонолактоноксидаза)

Промежуточными продуктами процесса являются уридиндифосфатглюкоза и уридиндифосфатгалактоза, которые после окисления превращаются в уридиндифосфатглюкуроновую и уридиндифосфатгалактуроновую кислоты. Эти соединения после гидролиза преобразуются в глюкуроновую и галактуроновую кислоты.

Затем эти соединения после преобразований в реакциях восстановления и дегидратации превращаются в соответствующие лактоны (L-гу- лонолактон и L-галактонолактон). Процессы завершаются реакциями окисления лактонов с образованием аскорбиновой кислоты.

169

Глава 10. Метаболизм углеводов

OH OH Уридин-5′-дифосфо-α-D-глюкопираноза (УДФ-глюкоза)

OH OH Уридин-5′-дифосфо-α-D-галактопираноза (УДФ-галактоза)

В растениях аскорбиновая кислота может окисляться в дегидроаскорбиновую кислоту при участии специализированной оксидазы — аскорбатоксидазы. Кроме того, аскорбиновая кислота может участвовать в оксидазных реакциях, катализируемых пероксидазой. Высокая активность аскорбатоксидазы отмечается в растительных тканях тыквы, капусты и кабачков, тогда как наибольшая активность пероксидазы проявляется в корнях растений, особенно в корнях хрена.

10.11. ПРОЦЕСС СИНТЕЗА САХАРОЗЫ

Наиболее распространенным дисахаридом растений является сахароза,

всоставе которой остатки α-D-глюкопиранозы и β-D-фруктофуранозы.

Вначале процесса происходит образование фосфорилированных форм моносахаридов (рис. 10.13). Для завершения процесса необходимо, чтобы к глюкозо-1-фосфату был присоединен УТФ. Реакцию катализирует глюкозо-1-фосфатуридилилтрансфераза (3). В результате образуется уридиндифосфатглюкоза и пирофосфорная кислота.

Затем происходит взаимодействие УДФ-глюкозы и фруктозо-6-фос- фата. Реакция протекает при участии сахарозофосфатсинтазы (5). Образовавшийся сахарозо-6-фосфат подвергается гидролизу фосфатазой

(6) с образованием дисахарида — сахарозы. Анализ реакций процесса синтеза сахарозы показывает, что для биосинтеза одной молекулы дисахарида необходимы три макроэргические фосфатные связи (две молекулы

170

Глава 10. Метаболизм углеводов

АТФ и одна молекула УТФ). Высокая энергетическая обеспеченность процесса делает его практически необратимым, что позволяет растениям в больших количествах накапливать сахарозу. В некоторых тканях растений (корнеплодах сахарной свеклы, клубнях картофеля и др.) сахароза может образовываться непосредственно из фруктозы. Реакция обратима и катализируется сахарозосинтазой (7). Распад сахарозы до глюкозы и фруктозы осуществляется сахарозофосфорилазой.

10.12. РЕАКЦИИ СИНТЕЗА И РАСПАДА КРАХМАЛА

Крахмал синтезируется практически во всех клетках растений. Откладывается полисахарид в строме хлоропластов, составляя до 90 % объема. Крахмал может накапливаться в пластидах при созревании семян. На прямом солнечном свете для образования крахмала достаточно 5 мин. Крахмал служит резервом углеводов, предназначенных для экспорта в цитоплазму. При участии ферментов хлоропластов крахмал может метаболизироваться в триозы, которые экспортируются из хлоропластов.

При прорастании семян крахмал начинает гидролизоваться при участии фосфорилазы и амилаз. Так, у семян злаковых культур расщепление крахмала начинается от щитка и распространяется к дистальной части эндосперма. Этот процесс протекает при участии α- и β-амилаз. При этом щиток обеспечивает до 17% всей амилолитической активности эндосперма. Клетки алейронового слоя выделяют α-амилазу на третьи-четвертые сутки.

Высокое содержание крахмала отмечается в клубнях картофеля, в семенах кукурузы, зерновках злаковых культур (пшеница, ячмень, овес, рожь и др.). Семена кукурузы и сорго содержат до 76% крахмала, пшеницы и ячменя — до 70, гороха — до 52, бобы — до 60 %.

Крахмал относится к полисахаридам растений (см. также п. 1.4.1); в составе его определяются две формы полимеров: амилоза и амилопектин. Полисахарид, в составе которого остатки моносахаридов последовательно связаны между собой только за счет α-(1→4)-гликозидных связей, называется амилоза. Наличие разветвлений в составе полисахаридной цепочки, обусловленных связыванием остатков моносахаридов α-(1→4)- и α-(1→6)-гликозидными связями, наблюдается у амилопектина. Различия в строении полисахаридов обуславливают и реализацию различных механизмов их синтеза.

Биосинтез амилозы. Основные пути синтеза амилозы в растительных клетках показаны на рис. 10.14. Видно, что в процессе биосинтеза амилозы принимают участие фосфорилированные формы α-D-глюкозы, которые образуются вначале в реакции, катализируемой гексокиназой (1). Затем остаток фосфорной кислоты при участии фосфоглюкомутазы (2) переносится

172