Структура і функції біомолекул. Обмін органічних речовин у рослинному організмі

3.1. Загальна характеристика рослинних білків, структура, функція та класифікація

Білки є основою життєдіяльності організмів. Саме з білками нерозривно пов’язані процеси обміну речовин і перетворення енергії в організмі. Живий організм містить тисячі білків, кожний з яких має свою унікальну структуру. Завдяки інформації, закладеній у цій структурі, білки функціонують за різноманітними індивідуальними програмами. Їм належить провідна роль у молекулярних механізмах усіх проявів життєдіяльності.

Елементарний склад білків приблизно такий: вуглецю – 50–55%; кисню – 19–24%; азоту – 15–18%; водню – 6,6–7,3%. До складу деяких білків входять також сірка (0,3–2,4%), фосфор (0,2–2,0%), залізо та інші елементи.

За хімічною природою білки є гетерополімерами, що побудовані з амінокислот. Відомо чотири рівні структурної організації молекули білка – первинна, вторинна, третинна і четвертинна.

Первинна структура характеризується кількістю і послідовністю амінокислотних залишків у поліпептидних ланцюгах білкової молекули. Кількість можливих первинних структур білка надзвичайно велика. Для молекули, що містить 1000 залишків двадцяти різних амінокислот, кількість первинних структур становить 20¹⁰⁰⁰. Цією структурою визначається функція білка. Заміна навіть однієї амінокислоти у молекулі може різко змінити функцію білка і викликати зміни у життєдіяльності всього організму. Первинна структура закріплена генетично.

Вторинна структура білка зумовлена додатковими зв’язками, (“водневими листочками”), які утворюються між амінокислотними залишками певної молекули або сусідніми поліпептидними ланцюгами. У пептидному ланцюзі “водневі місточки” утворюються між атомом водню аміногрупи >NН— одного пептидного зв’язку і атомом кисню карбоксильної групи >СО— другого зв’язку. Якщо водневі місточки утворюються у межах одного пептидного ланцюга, то виникають гвинтоподібні, спіральні структури. При утворенні водневих місточків між двома пептидними ланцюгами утворюється структура складчастого типу. Поєднанням слабких сил зв’язку багатьох водневих місточків забезпечується висока стабільність і міцність білкової молекули. У структурах складчастого типу багато поліпептидних ланцюгів розміщуються у паралельних площинах.

Третинна структура характерна для глобулярних білків. Вона створюється при взаємодії бічних груп амінокислот і підтримується іонними, водневими і дисульфідними зв’язками.

Вторинна і третинна структури білкової молекули залежать від первинної.

Більшість білків протоплазми і всі ферменти належать до глобулярних білків. Функція білка тісно пов’язана з третинною структурою.

Четвертинна структура білків утворюється при об’єднанні кількох (3–4 і більше) просторово організованих поліпептидних ланцюгів за допомогою гідрофобних взаємодій, водневих та іонних зв’язків. Ця структура властива глобулярним і фібрилярним білкам.

Структура білка має велике значення для каталітичної активності і регуляторної дії ферментів. Якщо порушується вторинна, третинна і четвертинна структури молекули, тобто відбувається денатурація білка, то змінюється функція ферменту.

Денатурацію можуть викликати: висока температура, ультрафіолетове випромінювання, ультразвукові хвилі, дуже високий тиск, поверхневі сили, іони Н⁺ і ОН^-, органічні розчинники та ін. При цьому втрачається здатність білків до набубнявіння і фізіологічна активність, зменшується розчинність, а у екстремальних умовах білки випадають у осад і скручуються – коагулюють.

Причиною денатурації є порушення зв’язків, що стабілізують вторинну, третинну і четвертинну структури білків. Наприклад, органічні розчинники спирт і ацетон порушують гідрофобні взаємодії. Під впливом іонів Н⁺ і ОН^- порушуються іонні зв’язки. Найбільш стійкими до денатурації є дисульфідні зв’язки, які можуть бути порушені при зміні окисно-відновного стану системи.

Денатурація білків може відбуватися на поверхні водної фази або на межі водної чи ліпофільної фаз внаслідок зміни орієнтації бокових ланцюгів. При цьому полярні бокові ланцюги будуть повернені до водного середовища, а гідрофобні (неполярні), навпаки, розміщуються на поверхні або ж занурюються у ліпофільну фазу. Таке спотворення структури у глобулярних білків може супроводжуватися втратою третинної структури.

Подібні процеси відбуваються у живій клітині на межі протоплазми і на внутрішніх мембранах. Проте, за рахунок постійного руху протоплазми відбувається безпереревна заміна білкових молекул на внутрішніх мембранах.

При низьких значеннях рН середовища більшість карбоксильних груп у молекулі білка не має заряду, а більша частина аміногруп володіє ним. При високих значеннях рН спостерігається протилежна картина. Існує певне проміжне значення рН, коли позитивні й негативні заряди зрівноважуються. Таке значення рН середовища називається ізоелектричною точкою (ІЕТ). Амплітуда ІЕТ коливається у широких межах, але у рослинних білків вона перебуває у слабокислій реакції середовища.

Білки утворюють з водою дисперсні системи колоїдного типу. Білкові колоїди є гідрофільними. Вони стабілізуються завдяки гідратації. Гідратні оболонки навколо білкових молекул виникають завдяки водневим зв’язкам між диполями води і полярними групами молекули білка.

Функції білків різноманітні:

1) є основним будівельним матеріалом клітини. Структурні білки, особливо білки мембран, завдяки великій кількості залишків неполярних амінокислот, стабілізують надмолекулярні структури;

2) виконують транспортну функцію у енергозалежних процесах переміщення речовин через мембрану;

3) каталізують усі ферментативні біохімічні реакції у клітині;

4) виконують сигнальну і рушійну функції шляхом зміни конформації (структури) окремих органів або організму під впливом факторів навколишнього середовища;

5) є джерелом енергії: при розщепленні одного грама білка вивільнюється 17,2 кДж енергії.

Різноманітність функцій білків у життєдіяльності живих організмів позначилась на їх назві - протеїни (від грецького protos – первинний, найважливіший).

Функціональні властивості білків визначаються їх структурною організацією, під якою розуміють кількісний і якісний амінокислотний склад молекули, її конфігурацію. Білки, що складаються лише із залишків амінокислот, називаються протеїнами. Вони виконують роль запасних речовин. За здатністю розчинятися у різних розчинниках протеїни поділяються на такі групи: альбуміни – розчиняються у воді; глобуліни – розчиняються у розчинах нейтральних солей; глютеліни – розчиняються у слабких розчинах кислот і лугів; проламіни – розчинні тільки у 50 – 70% відсткових розчинах спирту.

Крім амінокислот, у складі молекули білка може бути інша сполука небілкової природи. Такі білки називаються складними, або протеїдами. Вони відіграють роль основних компонентів різних структур клітини.

Залежно від природи небілкової частини молекули білка, яка ще називається простетичною групою, протеїди поділяються на групи.

Ліпопротеїди – складні білки, у молекулі яких є ліпіди, фосфогліцериди. Ліпопротеїди входять до складу клітинних мембран.

Глікопротеїди – складні білки, простетична група яких вміщує вуглеводи або їх похідні.

Нуклеопротеїди – одна з найбільш важливих груп протеїдів, молекули яких складаються з білкової частини і нуклеїнових кислот.

Металопротеїди – складні білки, у яких білкова частина пов’язана з атомами металів. Більшість білків цієї групи мають ферметативні властивості.

Хромопротеїди – складні білки, простетична група молекули яких представлена пігментами. Білки цієї групи (фітохроми) мають велике значення у реакціях рослин на світло, його поглинанні й перетворенні.

3.1.1. Характеристика і класифікація амінокислот

Амінокислоти – це органічні кислоти, у вуглеводневому радикалі яких атом водню заміщений аміногрупою. Відомо понад 200 амінокислот, але до складу рослинних білків входять лише 20. При цьому 10 з них є незамінними, тобто такими, що не синтезуються у організмі людини і тварини, а саме: аргінін, валін, гістидин, ізолейцин, лейцин, лізин, метіонін, треонін, триптофан, фенілаланін.

Усі амінокислоти білків є a-амінокислотами, тобто їх аміногрупа зв’язується з тим же атомом вуглецю, що і карбоксильна група.

Загальна формула будови амінокислоти:

де, R - бокові радикали, які можуть бути атомами водню, карбоксильною групою, ароматичним кільцем або іншими групами.

Амінокислоти можуть бути похідними жирних і ароматичних кислот. Вони мають амфотерні властивості, тому що аміногрупа виявляє лужні властивості, а карбоксильна – кислотні. Тому амінокислоти можуть реагувати як з основами, так і з кислотами, утворюючи відповідні солі; можуть вступати у хімічні реакції одна з одною. При цьому карбоксильна група однієї амінокислоти взаємодіє з амінною групою іншої з утворенням пептидного зв’язку (^... НN¾СО^{. ..}) і виділенням молекули води:

3.1.2. Пептиди і поліпептиди

Сполука, що утворюється при взаємодії двох амінокислот, називається дипептидом. Вільна аміногрупа або карбоксильна група утвореного дипептида може вступати у взаємодію з аміно- або карбоксильною групою інших амінокислот. Так утворюються трипептиди, тетрапептиди і т.д. Загальна назва цих сполук – поліпептиди. Якщо до складу поліпептиду входить понад 100 амінокислотних залишків, то такий поліпептид належить до білкових сполук. Загалом молекули білків включають від 100 амінокислотних залишків до кількох мільйонів. Форма молекули може бути видовженою (фібрилярною) або кулястою (глобулярною).

3.1.3. Біосинтез основних амінокислот

Вихідними речовинами для синтезу амінокислот є аміак та кетокислоти. Амінування кетокислот аміаком (реакція прямого амінування) – це основний шлях синтезу амінокислот у рослині. Реакція відбувається у дві фази:

1 Приєднання аміаку до кетокислоти й утворення імінокислоти:

2 Відновлення імінокислоти за участю відновлюючого агента (НАДР×Н – нікотинамід-аденін-динуклеотид фосфат, або НАД×Н – нікотинамід-аденін-динуклеотид):

При відновному амінуванні найбільш активним ферментом є глютамат-дегідрогеназа, який каталізує реакцію синтезу глютамінової кислоти:

Цей фермент наявний в усіх органах рослин, але активність його у коренях значно вища, ніж у листках. Відновне амінування a–кетоглутарової кислоти у зелених частинах рослин на світлі стимулюється утвореною при фотосинтезі відновленою формою НАДР×Н.

Синтез амінокислот шляхом прямого амінування відбувається при взаємодії аміаку з альдегідо– або кетокислотами, що утворюються як проміжні продукти окислювальних і відновлюваних циклів. До таких органічних кислот належать піровиноградна, оксипіровиноградна, щавлевооцтова та інші.

Проміжні продукти мають велике значення для процесів, пов’язаних із первинним синтезом ароматичного кільця циклічних сполук. У рослин такі ароматичні ядра можуть утворюватися двома шляхами. Один шлях генетично пов’язаний із метаболізмом жирних кислот. Вихідними продуктами в ньому використовуються активовані кофермент А, щавлевооцтова і яблучна кислоти.

Утворення циклічних сполук пов’язане з метаболізмом вуглеводів, при цьому вихідними є продукти гліколізу і пентозофосфатного циклу: фосфоенолпіровиноградна кислота та еритрозо-4-фосфат, конденсація і циклізація яких призводить до утворення найважливішого продукту циклічної природи – шикимової кислоти. Шикимова кислота через низку проміжних етапів може перетворюватися у попередники фенілаланіну і тирозину, деяких амінокислот ароматичного ряду, у тому числі триптофану.

Із шикимовою кислотою та її похідними пов’язані поліфеноли, катехіни і практично усі найважливіші ароматичні амінокислоти, серед яких особливої уваги заслуговує триптофан, з яким генетично зв’язана b-індолілоцтова кислота, або гетероауксин – основний регулятор ростових процесів у зеленій рослині.

У складі амінокислот можуть бути дві і більше аміногруп, а також дві карбоксильні групи.

В умовах надмірного забезпечення рослин амонійним азотом у тканинах відбувається накопичення амідів – глютаміну та аспарагіну. Вихідними речовинами для їх біосинтезу є відповідно глютамінова і аспарагінова кислоти. Біосинтез проходить за участю АТР і ферментів:

Аміди відіграють важливу роль в азотному обміні рослин, що було показано роботами Д.М. Прянишнікова. Накопичення амідів може мати місце не лише при живленні рослин аміачним азотом, але і при проростанні насіння бобових культур у етіольованих пагонах рослин, коли розпад білків переважає над їх синтезом, який лімітується відсутністю продуктів фотосинтезу.

Більшість амінокислот утворюється внаслідок реакції переамінування, або трансамінування, тобто взаємних перетворень амінокислот. Вперше реакція переамінування була встановлена у 1937 р. радянськими біохіміками О.Є. Браунштейном і М.Г. Кріцман. Вони спостерігали перенесення аміногруп від амінокислот до кетокислот. Найбільш легко піддаються трансамінуванню глютамінова та аспарагінова кислоти. Реакцію каталізують ферменти амінотрансферази.

Відома велика кількість реакцій утворення амінокислот шляхом трансамінування, з яких найбільше значення в обміні речовин мають такі:

Переамінування в рослинах можуть зазнавати не лише амінокислоти, але й аміди – аспарагін і глютамін.

Вище були вже зазначені умови накопичення у тканинах значної кількості амідів – аспарагіну і глютаміну.

Аспарагінова кислота й аспарагін тісно пов’язані з багатьма процесами обміну речовин і можуть бути зв’язуючою ланкою між обміном білків і вуглеводів. Ще більше значення в обміні речовин належить глютаміновій кислоті, і глютаміну, які швидко і легко утворюються в усіх органах рослин. Передаючи амінну й амідну групу в реакціях трансамінування, ці сполуки займають одне з провідних місць у амінокислотному обміні.

3.1.4. Залежність біосинтезу амінокислот і білків від екологічних

факторів в онтогенезі

Біосинтез білка тісно пов’язаний із функціональними особливостями клітини. Вважається, що в клітині існують два фонди амінокислот. Один із них здатний легко обмінюватися з позаклітинними амінокислотами і таким чином швидко змінюватися у розмірах. Другий формується переважно з цукрів і мінерального азоту і є головним постачальником амінокислот для біосинтезу білків. Припускається, що амінокислоти фонду, які здатні до обміну з навколишнім середовищем, містяться в клітині у “вільному” стані. Амінокислоти, що беруть участь у біосинтезі білка, можуть бути розділені мембранами або знаходитися у складі лабільних комплексів.

У формуванні обмінного фонду амінокислот і амідів важлива роль належить сахарозі й глюкозі. Тому біосинтез амінокислот і білків залежить від стану рослинного організму в онтогенезі та екологічних факторів, що впливають як на процеси фотосинтезу і дихання, так і на перетворення продуктів метаболізму. З підвищенням фотосинтезу посилюється і синтез білка, а при зниженні інтенсивності дихання – зменшується.

Існує тісний зв’язок між синтезом білка, інтенсивністю дихання і ростовими процесами. У молодих тканинах і органах швидкість синтезу білка, інтенсивність дихання і росту завжди вища, ніж у старих. Атрагуюча здатність репродукційних органів змінює транспорт асимілятів у рослині. В міру росту і розвитку рослини її вегетативні органи стають головними зонами використання продуктів асиміляції вуглецю і азоту.

3.2. Нуклеїнові кислоти, їх види, структура та значення

У клітині існують два типи функціонально різних нуклеїнових кислот: дезоксирибонуклеїнова кислота (ДНК), що міститься у хромосомах, хлоропластах і мітохондріях, і рибонуклеїнові кислоти (РНК), які зустрічаються майже в всіх структурних компонентах живої клітини. ДНК і РНК належать до макромолекулярних сполук. Макромолекула ДНК – це подвійна спіраль із специфічним паруванням азотистих основ за принципом комплементарності й максимальної міцності: у ній аденіну одного ланцюга завжди відповідає тимін другого, а гуаніну – цитозин. Кожний ланцюг спіралі має вуглеводно-фосфатний скелет. До цього скелета приєднані азотисті основи. Такі сполуки називаються нуклеотидами. Вони включають відносно малі молекули: п’ятивуглецевий атом цукру дезоксирибози, залишки фосфорної кислоти і азотовмісної основи.

Основи бувають чотирьох видів: тимін і цитозин (піримідинові), аденін і гуанін (пуринові).

Подвійний ланцюг ДНК утримується разом завдяки водневим зв’язкам, що виникають між парами аденін–тимін і гуанін–цитозин. Парування має суворо комплементарний характер, завдяки чому обидва ланцюги молекули ДНК комплементарні один одному на всій її довжині (рис. 8).

Рис. 8. Комплементарність ланцюгів ДНК

У структурі ДНК закодована генетична інформація синтезу всіх специфічних білків клітини. Чергування основ у ДНК є своєрідним для кожного організму і забезпечує видову специфічність білків. Чим складніший організм, тим більше інформації містить ДНК, тим більша її молекулярна маса і складніша структурна будова.

Передавання спадкової інформації відбувається завдяки реплікації ДНК, тобто здатності до самовідтворення, яке здійснюється шляхом матричного синтезу одного ланцюга ДНК з іншого. Сама структура подвійної спіралі ДНК забезпечує можливість її точного копіювання: тобто послідовність азотистих основ у одному ланцюзі визначає їх послідовність у іншому ланцюгу. Тому макромолекули ДНК є матрицею для власного синтезу і для синтезу білкових макромолекул.

При реплікації подвійна спіраль, внаслідок розривання водневих зв’язків, які утримують пари основ, поділяється на два полінуклеотидні ланцюги. У міру розкручування ланцюгів у молекулі ДНК метаболічний апарат клітин забезпечує утворення поряд з нею комплементарної копії таким чином, що до моменту закінчення реплікації з’являються дві ідентичні спіралі.

Ланцюги нуклеїнових кислот складаються з мономірних одиниць – нуклеотидів. Нуклеотиди ДНК і РНК відрізняються складом азотистих основ і типом вуглеводу. Піримідинові азотисті основи є похідними ароматичної органічної сполуки -піримідину (рис. 9.).

Рис. 9 Піримідинові азотисті основи:

1 – піримідин; 2 – урацил; 3 – тимін; 4 – цитозин.

До складу ДНК входять тимін і цитозин, до складу РНК – цитозин і урацил. Пуринові основи – це гетероциклічні системи (аденін і гуанін), які входять до складу нуклеїнових кислот обох типів (рис. 10).

Рис. 10 - Пуринові азотисті основи: 1 – аденін; 2 – гуанін.

Нуклеотиди ДНК, крім названих азотистих основ, містять цукор дезоксирибозу і залишок фосфорної кислоти. Нуклеотиди РНК відрізняються наявністю рибози, замість дезоксирибози. Модель ДНК є подвійною правозакрученою навколо загальної осі спіраллю з максимально можливою кількістю водневих зв’язків між парами пуринових і піримідинових основ: аденін – тимін, гуанін – цитозин (рис. 11.)

Рис. 11. - Зв’язки між азотистими основами в молекулі ДНК

Однією з найважливіших функцій ДНК є передавання спадкової інформації від клітини до клітини, від покоління до покоління. Ця функція здійснюється шляхом реплікації, тобто подвоєння хромосоми, що забезпечує передачу від материнської до дочірньої молекули повної структурної, а отже і функціональної копії ДНК.

Загальна кількість ДНК у одній клітині постійна і практично не змінюється протягом її життєвого циклу. Але на час клітинного поділу кількість ДНК подвоюється. Після закінчення поділу у кожній дочірній клітині вміст ДНК залишається таким, яким він був початково у материнській клітині.

Процес подвоєння молекул ДНК (реплікація) відбувається за такою схемою (рис. 12.):

Рис. 12. Реплікація ДНК

На період поділу ДНК водневі зв’язки між ланцюжками розриваються, останні розкручуються на два полінуклеотидні ланцюги і розходяться. Потім, за участю ферментів, здійснюється синтез комплементарних ланцюжків попереднього складу. Обмін ДНК відбувається тільки при поділі клітини у процесі редуплікації.

Доказом генетичної функції ДНК є постійна кількість її у клітині й стабільність нуклеотидного складу ДНК, незалежно від віку, умов живлення і низки інших факторів навколишнього середовища, у яких відбувається ріст і розвиток рослини.

У клітині будь-якого організму є три основні типи РНК: рибосомна (рРНК), транспортна (тРНК) і матрична, або інформаційна (мРНК). Вони мають односпіральну структуру молекули і синтезуються на ДНК-матриці. Вміст рРНК становить 80% усієї РНК клітини, тРНК – 15%, мРНК – 5–10%. Синтезована молекула мРНК надходить до рибосоми, де слугує матрицею для синтезу білка: ДНК ¾® мРНК ¾® білок. Цей процес відбувається за участю рибосомної і транспортної РНК. Рибосомна РНК забезпечує процес реалізації генетичної інформації шляхом приєднання відповідних амінокислот, які переносяться до рибосом транспортною РНК. У клітині зустрічається до 80 видів тРНК, кожна з яких може транспортувати певну амінокислоту до місця синтезу білка.

3.2.1. Основні етапи біосинтезу білків

Першим етапом на шляху реалізації генетичної інформації є процес транскрипції, тобто передавання інформації ДНК на матричну РНК. Транскрипція відбувається на матриці ДНК за участю універсального ферменту РНК-полімерази. Матрицею для синтезу РНК можуть слугувати всі без винятку ДНК. При цьому послідовність розміщення чотирьох нуклеотидів з азотистими (аденін, гуанін, цитозин, тимін) у РНК повторює послідовність відповідних дезоксирибонуклеотидів одного з двох ланцюгів ДНК, але у молекулі РНК на місце тиміну включається азотиста основа – урацил. На відміну від реплікації, транскрипція відбувається не на всій ДНК-матриці, а лише на певних ділянках, де розміщується структурний ген відповідного білка транспортної або рибосомальної РНК. З кожного гена-матриці ДНК може зніматися практично необмежена кількість копій. Звичайно кількість ДНК більша у молодих клітинах, ніж у старих.

Таким чином, транскрипція – це перший процес, з якого починається реалізація спадкової інформації. Цей етап можна умовно поділити на чотири стадії: 1) асоціація – зв’язування ферменту РНК-полімерази з матрицею ДНК; 2) ініціація, тобто утворення фосфодіефірних зв’язків при приєднанні нуклеотидів; 3) елонгація – подовження ланцюжка. Поступове утворення гібрида РНК-ДНК, початок відділення РНК-продукту від ДНК; 4) термінація – закінчення процесу.

Наступний етап – трансляція, тобто синтез білка. У рибосомі здійснюється “переклад” інформації про синтез білка з матричної РНК у вигляді нуклеотидів на амінокислотний склад.

При цьому у рибосомі знаходиться відносно короткий відрізок ланцюжка мРНК, який взаємодіє з молекулами тРНК за принципом комплементарності: якщо відрізок розміщеної у рибосомі мРНК має послідовність азотистих основ УГГ (урацил–гуанін–гуанін), то до цього триплету приєднується ланцюжок тРНК, що несе на своїй контактній ділянці комплементарний триплет ЦЦА (цитозин–цитозин–аденін). Акт приєднання молекули тРНК до триплету мРНК призводить до взаємної орієнтації між амінокислотним залишком і ланцюжком білка, який синтезується, і утворення між ними ковалентного зв’язку. У результаті тРНК вивільнюється з рибосоми, а білковий ланцюжок подовжується на один амінокислотний залишок. На місце вивільненої тРНК надходить нова тРНК, а ланцюжок іРНК буде просунутим відносно рибосоми на один триплет праворуч. При цьому у рибосомі виявиться наступний вакантний триплет і до нього негайно за комплементарним принципом приєднається відповідна тРНК з амінокислотою. Після чергового переміщення іРНК між першою і другою амінокислотою утворюється пептидний зв’язок, а їхні тРНК вивільнюються, виходять до цитоплазми. Таким чином, послідовно триплет за триплетом здійснюється черговий етап синтезу білка – елонгація, нарощування білкового ланцюжка.

Щоб відбулась термінація ланцюжка, необхідні дві умови. По-перше, у молекулі мРНК повинен бути специфічний кодон, який визначає (обмежує) елонгацію поліпептидного ланцюжка. По-друге, необхідна наявність фактора вивільнення, який “зчитує” термінуючий кодон. Коли термінуючий кодон досягає рибосоми, то білок-синтезуючий комплекс складним шляхом розпадається на складові частини: мРНК, тРНК, поліпептид і обидві рибосомні субодиниці. Сигналом про закінчення синтезу поліпептидного ланцюга слугують спеціальні термінуючі кодони у матричній РНК – УАГ, УАА і УГА. До цих кодонів жодна транспортна РНК не може приєднатися.

Після видалення з рибосоми поліпептидний ланцюг набуває просторової структури відповідно до розміщення у ньому амінокислот.

3.2.2. Синтез і розпад білків

Для біосинтезу білка необхідні витрати великої кількості енергії. Лише на активування кожної амінокислоти використовується енергія двох молекул АТР, тобто приблизно 40 кДж^–1.

Крім того, етапи ініціації, трансляції і парування основ можливі завдяки енергії гуазинтрифосфату (ГТР¾®ГДР + Ф_н), тобто ще 80 кДж. Отже, на утворення кожного пептидного зв¢язку витрачається 160 кДЖ енергії.

Процеси синтезу, оновлення і розпаду білкових молекул у рослинному організмі відбуваються постійно. Їх інтенсивність визначається віком і станом клітини, органа або рослини в цілому. Під час інтенсивного росту клітини синтезується найбільша кількість білків, яка у 9–10 разів перевищує їх вміст у новоутвореній клітині. Після завершення ростових процесів інтенсивність біосинтезу білків незначна.

Джерелом енергії для біосинтезу є дихання і фотосинтез. Між інтесивністю синтезу білка та інтенсивністю дихання існує взаємозв¢язок, у молодих органах і тканинах велика швидкість біосинтезу білка поєднується з високою інтенсивністю дихання. Відповідно, фактори, що пригнічують процес дихання, інгібують і синтез білка. Аналогічною є закономірність між фотосинтезом і утворенням білків.

Процеси розпаду білків мають не менше значення у життєдіяльності організму, ніж процеси їх синтезу. На відміну від біосинтезу, для якого необхідна наявність високоорганізованих клітинних структур і велика кількість енергії, розпад білків відбувається при незначній зміні вільної енергії системи.

З проблемою синтезу і розпаду білків пов¢язана і проблема їх оновлення. Амінокислоти і білки у рослинах оновлюються досить інтенсивно, що залежить від онтогенетичного стану організму, органа, клітини.

3.3. Ферменти, хімічна природа і будова молекули

У рослинній клітині досить легко і швидко відбувається багато найскладніших біохімічних реакцій, які супроводжуються синтезом і розкладанням білків, жирів, вуглеводів і низки інших сполук. Більшість таких реакцій поза організмом практично не можлива або вимагає певних умов. Проходження багатьох процесів у рослині при звичайних фізіологічних умовах з високою інтенсивністю пояснюється наявністю у живих клітинах численних біологічних каталізаторів, що називаються ензимами або ферментами.

Каталізатори здатні різко збільшувати швидкість хімічних реакцій і залишатися при цьому кількісно і якісно незмінними.

Ферменти – це високоспецифічні біологічні каталізатори. Будь-яка клітина містить тисячі ферментів, кожний з яких регулює відповідну хімічну реакцію або групу взаємопов’язаних реакцій. У цьому полягає одна з основних властивостей ферментів – специфічність дії.

Фермент визначає не можливість здійснення реакції, а лише її швидкість. У зв’язку з тим, що каталітичні властивості ферментів реалізуються лише у біологічних системах, їх прийнято називати біокаталізаторами. Вони проявляють свою дію як у однорідних (гомогенних) системах, наприклад, у рідинних розчинах, газах і т.п., так і у гетерогенних (дрібнодисерсних), тобто тих, що складаються з кількох фаз (рідина і дуже подрібнена речовина, дві рідини, що не змішуються і тощо). Прикладом каталізу у гетерогенному середовищі може бути реакція розкладу водного розчину перекису водню за наявносьті дрібнодисперсної платини на воду і кисень:

У хімічних реакціях роль каталізатора завжди виконує вода. Наприклад, реакції сполучення хлору з металами, кисню з воднем, натрію з фосфором і ряд інших проходять з великою швидкістю за наявності принаймні слідової кількості води.

Назва ферменту складається звичайно з кореня латинської назви субстрату, на який діє фермент, або назви процесу, що каталізується цим ферментом, і суфікса “аза”.

3.3.1. Класифікація ферментів

Систематична класифікація і номенклатура ферментів розроблені й затверджені Комісією з ферментів Міжнародного біохімічного союзу у 1961 році. Відповідно до цієї класифікації, усі ферменти поділені на шість основних класів.

3. Оксидоредуктази – ферменти, що беруть участь у окисно– відновних реакціях. Вони каталізують перенесення водню або електронів від одного субстрату до іншого.

4. Трансферази – ферменти переносу. Вони прискорюють реакції перенесення окисних радикалів, частин молекул або навіть цілих молекул від однієї сполуки до іншої.

5. Гідролази – каталізують реакції розкладання різних складних органічних сполук до більш простих за участю води.

6. Ліази – ферменти, що каталізують реакції відщеплення від субстрату або приеднання різних груп негідролітичним шляхом за місцем подвійного зв’язку.

7. Ізомерази – каталізують реакції ізомеризації різних органічних сполук.

8. Лігази, або синтетази – каталізують реакції синтезу складних органічних сполук з більш простих за участю АТР або інших енергетичних носіїв.

Названі шість класів ферментів у свою чергу поділяють на підкласи і ще менші групи через відповідні шифри. Згідно з прийнятою класифікацєю, шифр кожного ферменту складається з чотирьох чисел, розділених крапками. Перша цифра позначає клас ферменту; друга - підклас; третя – підпідклас і четверта – номер конкретного ферменту.

До класу оксидоредуктаз належать ферменти, що беруть участь у процесах дихання і бродіння: дегідрогенази, каталази, пероксидази, оксидази, ліпоксигенази, цитохромна система.

Дегідрогенази каталізують відщеплення і перенесення водню від субстрату, що окиснюється, до акцептора:

Залежно від акцептора, на який переносяться водень, розрізняють аеробні та анаеробні дегідрогенази.

Аеробні дегідрогенази, або оксидази, каталізують перенесення водню на кисень повітря (акцептор):

Анаеробні дегідрогенази – це дуже специфічні двокомпонентні ферменти, які каталізують відщеплення і перенесення водню до інших ферментів або проміжних переносників (рис. 13). Коферментами можуть бути НАД⁺ (нікотинамідаденіндинкулеотид) або НАДР⁺ (нікотинамідаденіндинуклеотид - фосфат).

Рис. 1 3. Окислення субстрату за участю анаеробних дегідрогеназ.

Активною групою дегідрогеназ, які акцептують протони і електрони, є піридинове кільце. Відомо понад 150 анаеробних дегідрогеназ.

Трансферази каталізують перенесення атомів або радикалів (метилтрансферази, трансальдолази, фосфотрансферази або кінази, амінотрансферази та ін.). Наприклад, загальна схема реакції переамінування, яка каталізується амінотрансферазою, така:

Гідролази каталізують реакції розкладання складних органічних сполук на більш прості за участю води:

Основними представниками цього класу є: ліпаза - каталізує розщеплення жирів; a – і b-амілази – каталізують розщеплення крохмалю до декстринів і мальтози; інвертаза – розщеплення сахарози на глюкозу і фруктозу; протеази (протеолітичні ферменти) – розщеплення пептидних зв’язків у молекулах білків і пептидів та ін.

Ліази каталізують реакції відщеплення або приєднання негідролітичним шляхом різних груп за місцем подвійного зв’язку.

Клас цих ферментів поділяють на підкласи за типом зв’язків між групою, що відщеплюється, і залишку молекули субстрату. Наприклад, піруваткарбоксилаза каталізує відщеплення СО₂ (декарбоксилювання) від піровиноградної кислоти:

Альдолаза – активує розпад фруктозодифосфату на тріози:

Ізомерази каталізують реакції ізомеризації різних органічних сполук (вуглеводів та їхніх похідних, органічних кислот і амінокислот), які відіграють важливу роль у обміні речовин. Наприклад, перетворення 3-фосфогліцеринового альдегіду (ФГА) і фосфодіоксиацетону (ДОАФ) за участю тріозофосфатізомерази:

Лігази, або синтетази, каталізують реакції синтезу складних органічних речовин з утворенням зв’язків С–О, С–S, С–N, С–С. Найбільш простими представниками лігаз є: ацетил–КоА – синтетаза, яка каталізує утворення ацетил-коферменту А:

аспарагінсинтетаза, що каталізує реакцію синтезу амідів:

Аспарагінова кислота Аспарагін

3.3.2. Властивості ферментів та локалізація

Властивості ферментів поділяються на загальні і специфічні. Загальні властивості такі: 1) ферменти, як і неорганічні каталізатори, не витрачаються у процесі каталізу, не входять до складу кінцевих продуктів реакції, а виходять з неї у початковому вигляді; 2) ферменти прискорюють лише ті реакції, які можуть відбуватися і без них; не каталізують реакцій, що суперечать законам термодинаміки; 3) ферменти не зміщують положення рівноваги реакції, а лише прискорюють її досягнення.

Специфічні властивості: 1) всі ферменти за своєю будовою є білками; 2) ефективність ферментів набагато вища, ніж неорганічних каталізаторів. Наприклад, для розкладання перекису водню без каталізаторів необхідна енергія активації не менше 75 кДж/моль. За наявності каталізатора колоїдної платини, вона зменшується до 48, а за наявності ферменту каталаза – до 5,4 кДж/моль; 3) ферменти мають дуже вузьку вибіркову дію на субстрати, тобто специфічність; 4) ферментам властива регульованість. Саме завдяки цьому можлива координація всіх метаболічних процесів клітини і рослини у цілому у просторі й часі.

До характеристики властивостей ферментів належить реакція середовища. Оптимальне значення рН є неоднаковим для різних ферментів. Одні ферменти найбільш активні при нейтральному, другі - при кислому, інші - при лужному середовищі.

Завдяки білковій природі, ферменти утворюють колоїдні розчини. Це має особливо важливе значення для забезпечення життєдіяльності організмів, оскільки колоїдні розчини не зазнають дифузії, а залишаються локалізованими у певних клітинних компартментах. Таким чином, не зважаючи на розчинність більшості ферментів у воді, значна частина їх міцно закріплена у таких клітинних органелах, як ядро, пластиди, мітохондрії, рибосоми.

Більшість ферментів, що утворилися в органелах клітин, є ендоферментами, які каталізують процеси, що відбуваються у певній органелі. Окремі ферменти можуть виділятися за межі органел або клітин і діяти у оточуючому їх середовищі, це - екзоферменти. Наприклад, при проростанні зерна злаків перетворення запасних речовин ендосперму відбувається за участю таких екзоферментів, як амілаза і пептидаза, які утворюються не у ендоспермі, а у клітинах алейронового шару і щитка зернівки.

Доведено, що всі внутрішньоклітинні структури містять специфічні, властиві їм, набори ферментів. Ферменти циклу трикарбонових кислот (циклу Кребса) зосереджені у мітохондріях; фотосинтетичного циклу – у хлоропластах, гідролітичні – у цитоплазмі. Ферменти, що каталізують послідовні реакції перетворення речовин, можуть розміщуватися безпосередньо один близько одного на внутрішніх мембранах, утворюючи ферментні системи, і ніби передавати один одному субстрати або продукти реакції. Велика кількість ферментів, які беруть участь у складних біохімічних процесах, утворюють, так звані, мультиферментні системи.

У цитоплазматичному матриксі містяться багато важливих ферментів: у рідинній фазі розміщені всі ферменти анаеробного і спиртового бродіння; ферменти, що каталізують перетворення сахарів, крохмалю, пентозофосфатного циклу окиснення вуглеводів; ферменти, що каталізують синтез жирних кислот, синтез і перетворення амінокислот; численні гідролітичні ферменти.

У мітохондріях містяться всі ферменти, що каталізують реакції циклу Кребса, окиснення жирних кислот, переамінування.

Хлоропласти мають увесь комплекс ферментів, які каталізують відновлення вуглекислого газу до вуглеводів, біосинтез крохмалю, жирів тощо.

Рибосоми, найважливішою функцією яких є біосинтез білків з амінокислот, містять усі ферменти, що каталізують утворення поліпептидних ланцюгів білків.

Клітинне ядро, специфічною і головною функцією якого є відтворення і передавання генетичної інформації, містить усі ферменти, що каталізують синтез ДНК і РНК.

Перший фермент системи називається алостеричним. Він має два типи активного центру – каталітичний і алостеричний (регуляторний). Кінцевий продукт, який інгібує активність алостеричного ферменту, називається модуляторним, або негативним ефектором. Модулятор, пов’язуючись з алостеричним активним центром ферменту, викликає зміни структури каталітичного центру: при цьому фермент втрачає свою активність. Після усунення модулятора (ефектора) з алостеричного центру структура каталітичного центру й активність ферменту відновлюються.

Крім негативних ефекторів, у алостеричних ферментів є позитивні ефектори (активатори), які спроможні переводити алостеричний центр у більш активний стан. Швидкість ферментативних реакцій може регулюватися автоматично. При цьому кінцевий продукт у системі перетворення пригнічує активність першого ферменту, – регуляція за типом зворотного зв’язку. Прикладом залежності швидкості реакції від концентрації кінцевого продукту може бути розщеплення крохмалю до мальтози під дією a-амілази. Надлишком мальтози пригнічується активність a-амілази, і реакція гідролізу крохмалю зупиняється.

На активність ферментів впливає наявність в реакційному середовищі різних іонів або сполук, що мають назву активаторів. До них відносять зокрема мікроелементи бор, кобальт, молібден, цинк, мідь, селен та ін., а також макроелементи калій, кальцій, магній тощо. Найвища активність елементів спостерігається за оптимальної концентрації активаторів. При їх надлишку, особливо мікроелементів, біохімічні ферментативні реакції можуть значно гальмуватися.

Речовини, що пригнічують активність ферментів мають назву інгібіторів. Дія інгібіторів полягає у частковому або навіть повному пригніченні утворення ферментосубстратного комплексу, тому реакція синтезу чи гідролізу субстрату не відбувається або відбувається надто повільно.

Інгібітори поділяють на два класи: загальні і специфічні. Загальні представлені головним чином солями важких металів – свинцю, ртуті, срібла та ін. Дія їх полягає у денатурації ферментів, як білкових сполук, тобто у втраті ферментами четвертинної, третинної і вторинної структур. Внаслідок цього втрачається їх біологічна, а отже і ферментативна активність.

Специфічні інгібітори в свою чергу поділяються на конкурентні й неконкурентні. Конкурентне інгібірування має місце, якщо інгібітору притаманна така ж форма і конфігурація молекули, як молекула специфічного субстрату, на який спрямована дія ферменту. В такому випадку інгібітор вільно приєднується до активного центру ферменту замість субстрату. При цьому фермент-субстратний комплекс утворюватися не може і дія ферменту блокується. Отже, конкурентні ферменти діють ”підманним” шляхом. Розуміння процесів механізму дії цих інгібіторів і розробка їх моделі могла б значно прискорити синтез нових ефективних лікувальних препаратів, засобів захисту рослин і сприяти здешленню їх виробництва. Прикладом вдалого конкурентного інгібірування може бути застосування окремих лікувальних сульфамідних препаратів, зокрема стрептоциду. Відомо, що для життєдіяльності низки хвороботворних організмів необхідна фолієва кислота, яку вони синтезують з N-параамінобензойної кислоти. Молекула цієї кислоти дуже подібна до молекули окремих сульфамідних лікувальних препаратів. Тому при застосуванні цих ліків молекули їх приєднуються до ферментативного апарату мікроорганізму, відповідального за синтез фолієвої кислоти, блокують утворення ферментосубстратного комплексу і життєдіяльність мікроорганізму припиняється.

Неконкурентне інгібірування полягає у блокуванні ферменту за межами його активного центру, викликаючи значні зміни у просторовій структурі цього центру і порушуючи нормальне приєднання субстрату до ферменту. Прикладом неконкурентного інгібітора може бути синильна кислота.

Негативний вплив окремих зовнішніх факторів на активність ферментів може усуватися наявністю у рослинній клітині ізоферментів. Ізоферменти – це ферменти, що каталізують однакову реакцію, але їх активність виявляється за різних умов (температура, рН, наявність інгібіторів).

Для регуляції обміну речовин важливе значення належить адаптивним або індукованим ферментам. Вони синтезуються спочатку або різко зростають у кількісному відношенні при адаптації, тобто пристосовуванні рослин до нових умов середовища. Прикладом індукованих ферментів може бути ключовий фермент азотного обміну нітратредуктаза або гідроксиламінредуктаза, кількість яких у клітині різко зростає при надходженні до рослини з грунту нітратної форми азоту. Саме завдяки зростанню кількості нітратредуктази при інтенсивному надходженні нітратів до рослини започатковується швидке активне відновлення нітратного азоту через ланцюг відповідних ферментативних реакцій до аміаку, котрий вступає в реакцію з певними органічними кислотами і утворює амінокислоти з наступним посиленим синтезом білків.

3.3.3. Залежність активності ферментів від факторів середовища

Крім автоматичного регулювання, активність ферментів може посилюватися чи послаблюватися під впливом інших факторів, а саме: зміною температури, рН середовища та ін.

Ферменти чутливі до температур. У звичайних умовах з підвищенням температури на 10⁰ С швидкість ферментативних реакцій зростає приблизно удвічі. Це спостерігається з підвищенням температур до 35 – 45^о. При більш високій температурі активність ферментів помітно зменшується, а при 90 – 100^о повністю втрачається. Настає інактивація ферментів, яку викликає коагуляція білків, тобто порушення їх четвертинної структури.

Негативний вплив окремих зовнішніх факторів на активність ферментів може усуватися наявністю у рослинній клітині ізоферментів. Завдяки цьому несприятливі для одного ізоферменту умови можуть бути сприятливими для іншого. Тому відповідний ферментативний процес не гальмується при зміні зовнішнього фактора, а отже багато рослин може добре рости і розвиватися на ґрунтах, рН яких коливається в межах від 4,5 до 7,0 (картопля, озиме жито та ін.).

3.3.4. Механізм ферментативного каталізу

Ферментам властива специфічність. На відміну від неорганічних каталізаторів, вони мають високу субстратну специфічність. Зокрема, сахараза розщеплює тільки сахарозу і не діє на споріднені цукри, наприклад мальтозу. Завдяки специфічності дії, кожен фермент з великої кількості реакцій, що відбуваються у клітині, впливає лише на певну.

За будовою ферменти є однокомпонентними і двокомпонентними. Однокомпонентні складаються лише з білка. Молекула двокомпонентних ферментів, крім білкової частини, має простетичну групу, яка є активною частиною ферменту і може бути іоном металів (Fe‚ Mn‚ Zn, Mo, Mg) або низькомолекулярною органічною сполукою (наприклад, тіамін, рибофлавін, нікотинова кислота, піридоксин). Активна група органічної природи двокомпонентного ферменту називається коферментом, або агоном, а білкова – апоферментом або фероном. Розміри коферменту значно менші за білкову частину. При дисоціації молекули ферменту ні апофермент, ні кофермент окремо не виявляють каталітичної здатності, але вона може відновитися повністю, якщо обидва вони знову сполучаються.

В однокомпонентних ферментів активними групами є певні хімічні угруповання, що входять до складу білка і мають назву активного абокаталітичного центру. Саме за допомогою активного центру молекули ферментів взаємодіють із субстратом і виявляють каталітичні властивості.

Молекула ферменту може мати один або два активні центри. Каталітична властивість ферменту зумовлена третинною і четвертинною структурою білкової молекули, порушення якої при дії високих температур призводить до втрати активності ферменту (інактивації).

Прискорення біохімічних реакцій під дією ферментів досягається завдяки зниженню енергії активації. Для того, щоб між молекулами відбулася хімічна реакція, вони повинні перебувати в активному стані. Відомо, що атоми у молекулах утримуються хімічними зв’язками, які зумовлюються певною кількістю енергії. Ця енергія визначається типом атомів і природою зв’язків. Для розриву зв’язків необхідна більша кількість енергії. Завдяки такому енергетичному бар’єру стримується довільний розпад зв’язків. Кількість енергії, необхідної для подолання енергетичного бар’єру, називається енергією активації. Вона може бути значно зменшеною за участі у біохімічних реакціях відповідних ферментів.

Завдяки ферментам у клітині з великою швидкістю відбуваються реакції при звичайних умовах – відносно невисоких позитивних температурах і нормальному атмосферному тискові. Для проходження аналогічних хімічних реакцій за участю неорганічних каталізаторів (наприклад, платини) потрібно створити високий тиск – у десятки або навіть сотні атмосфер і високу температуру.

Зменшення енергії активації досягається здатністю молекули ферменту вступати у взаємодію з молекулою субстрату й утворювати нестабільну проміжну сполуку – фермент–субстратний комплекс, у якому молекула субстрату зазнає певної внутрішньої перебудови при взаємодії з активним центром ферменту. Викликані у молекулі субстрату зміни призводять до зниження енергетичного бар’єру. Проміжна сполука (комплекс) швидко розпадається з вивільненням ферменту який знову може здійснювати свої каталітичні функції, а активовані молекули субстрату, залежно від типу реакції, розкладаються або вступають у реакцію з іншим компонентом.

Припустимо, що дві молекули А і Б здатні повільно утворювати молекулу АБ, фермент Ф прискорює цю реакцію. Цей процес має таку послідовність:

Проміжні реакції, що супроводжують утворення продукту АБ вимагають набагато менше енергії, ніж реакції без участі ферменту. При цьому швидкість проходження підсумкової реакції А + Б —® АБ також значно зростає.

Для активного перебігу ферментативної реакції структурна будова молекули субстрату повинна збігатися з будовою активного центру ферменту. Відповідність збігання повинна бути не лише просторовою, але й у розподілі електричних зарядів, розміщенні груп атомів. Остаточна відповідність ферменту і субстрату досягається у процесі їх взаємодії (рис. 14).

Рис. 14. Схема ферментативного розчеплення молекули субстрату.

Виникаючі при взаємодії ферменту з субстратом зміни конформації призводять до так званої відповідності ферменту субстрату; після звільнення продуктів реакції фермент приймає вихідну конформацію.

Причому, субстрат за своїми розмірами значно менший за фермент. Із субстратом у процесі реакції контактують лише близько 20 амінокислотних залишків молекули ферменту. Ці залишки і становлять каталітичну зону – активний центр. Найчастіше до каталітичної зони входять амінокислоти – аспарагін, аргінін, гістидин, глютамін, серин, треонін, цистеїн.

Амінокислоти, що не входять до активного (каталітичного) центру теж мають важливе значення. Вони зумовлюють специфічне розміщення білкової молекули (наприклад, четвертинну структуру), завдяки чому віддалені амінокислотні залишки можуть просторово наближатися і теж утворювати активний центр.

3.4. Біохімічна характеристика і значення вуглеводів

Вуглеводи – це найважливіші і найбільш поширені органічні сполуки, які утворюються у процесі фотосинтезу, і є основним дихальним матеріалом, що забезпечує організм необхідною енергією та проміжними продуктами для підтримки процесів життєдіяльності й біосинтезу інших складних сполук. Саме вуглеводи виконують роль попередників органічних речовин рослинного організму.

За хімічним складом вуглеводи поділяться на три основні класи: моносахариди, олігосахариди і полісахариди. Моносахариди, або просто цукри, містять від трьох до семи атомів вуглецю, гідроксильну (¾ ОН) і альдегідну або кетонну групи. За кількістю вуглецевих атомів моноцукри називають тріозами, тетрозами, пентозами, гексозами. Представниками моноцукрів є гліцериновий альдегід, діокисацетон, еритроза, рибоза, седогептулоза та ін. Залежно від функціональної групи, моноцукри поділяють на альдози і кетози.

Різниця між моноцукрами зумовлена не лише кількістю атомів вуглецю і будовою активної групи, але й наявністю асиметричних атомів вуглецю, які забезпечують можливість існування ізомерів.

Моносахариди з п’ятьма і більше атомами вуглецю мають циклічну (кільцеву) структуру, у якій атом кисню утворює місток між карбонільною групою і другим атомом вуглецю цієї ж молекули. П’ятичленне кільце з чотирьох атомів вуглецю та атома кисню називають фуранозним, а шестичленне з п’яти атомів вуглецю і кисню – піранозним.

Моносахариди зберігають окислювальну здатність карбонільної групи і тому часто визначаються як цукри – відновлювачі. Вони добре розчиняються у воді, мають величезну кількість варіантів структури і тому використовуються рослинами для регуляції росту і розвитку. Для обміну речовин найбільш важливі фосфорильовані похідні моносахаридів. Первинним стабільним продуктом фотосинтезу є 3-фосфогліцеринова кислота . У тканинах рослини фосфорильовані цукри є ключовими проміжними продуктами вуглеводного обміну.

Олігосахариди є невеликими полімерами, які складаються з n моносахаридних залишків. Найменше число n дорівнює 2, найбільше – 10. Олігосахариди не становлять клас певних вуглеводів. У багатьох випадках це просто короткі молекули – проміжні ланки під час синтезу або розпаду полісахаридів. Залежно від кількості сахаридних субодиниць, їх поділяють на ди-, три-, тетрасахариди і т.п. Дисахарид сахароза – найбільш поширений олігосахарид в рослинах. При гідролізі він розщеплюється на глюкозу і фруктозу. Мальтоза складається з двох залишків глюкози, зустрічається у невеликій кількості у багатьох рослинах. Вищі рослини мають також трисахарид рафінозу і тетрасахарид стахіозу.

Полісахариди подібні до олігосахаридів тим, що утворюються при конденсації моносахаридів. Однак їх молекулярна маса набагато більша. Число залишків моноцукрів у молекулі становить 80-100 і може досягати кількох тисяч. Представники полісахаридів - це крохмаль, целюлоза. Емпірична формула – (С₆Н₁₀О₅)_n.

Целюлоза – найбільш поширений у природі полісахарид. Її молекули нагадують пласку витягнуту стрічку. У клітинній стінці вони утримуються міжмолекулярними водневими зв’язками і спаковані у паралельні ланцюги.

Крохмаль, подібно целюлози, є полімером глюкози, але складається з двох компонентів: лінійного полімера амілози і полімера з розгалуженим ланцюгом залишків глюкози – амілопектину. У складі амілози міститься від 500 до 1000 залишків глюкози, а амілопектину – від 500 до 15000. На відміну від целюлози, яку звичайно вважають структурним вуглеводом, крохмаль легко розпадається і тому є джерелом енергії для життєдіяльності рослин. Амілоза розчиняється у воді з утворенням колоїдного розчину і дає синє забарвлення з йодом. Амілопектин не розчиняється, а з йодом дає забарвлення від червоно-коричневого до лілового.

Пектинові речовини – це водорозчинні полісахариди, компоненти первинної клітинної оболонки. Особливо багато пектинів у шкірці лимонів, апельсинів. У складі молекули пектину вільні карбоксильні групи мають від’ємний заряд і можуть зв’язувати іони кальцію або магнію у клітинній стінці.

Геміцелюлоза є також компонентом клітинної стінки, належить до полісахаридів.

У клітині на частку полісахаридів припадає до 85% сухої маси рослин. Вони є основним компонентом урожаю сільськогосподарських культур. Серед полісахаридів найбільшу роль у виробництві харчових продуктів має крохмаль.

Складні полісахариди. Це група речовин, які складаються з вуглеводів і невуглеводних сполук. До них належать глікопротеїди і гліколіпіди–полімери.

Прийнято вважати, що функції вуглеводів простіші й менш специфічні, ніж функції білків і нуклеїнових кислот. Але наявність значної кількості різноманітних форм свідчить про надзвичайно широку і різноманітну роль цих сполук у житті рослинного організму.

7.1.2. Біосинтез і взаємні перетворення вуглеводів.

Ферменти вуглеводного обміну

При фотосинтезі у циклі Кальвіна утворюється шестивуглецевий моносахарид фруктозо-1,6-дифосфат, який є вихідною сполукою для синтезу вуглеводів. Моносахариди у формі фосфорних ефірів можуть легко взаємно перетворюватися. Фруктозофосфати можуть перетворитися у глюкозофосфати:

Далі глюкозо-1-фосфат сполучається з уридинтрифосфатом (УТФ) і утворюється уридиндифосфат-глюкоза (УДФ-глюкоза). Залишок глюкози від УДФ-глюкози переноситься на фруктозо-6-фосфат і при цьому утворюється сахарозодифосфат. Реакцію каталізує фермент сахарозофосфат-синтаза. Потім під дією сахарозофосфатази вивільнюється сахароза.

Швидкість синтезу сахарози залежить від надходження тріозофосфату ДОАФ (діоксиацетонфосфат), тобто від швидкості фотосинтезу.

При низькій інтенсивності фотосинтезу потік вуглецю переключається із синтезу сахарози на синтез крохмалю: моносахаридні елементи переносяться від нуклеотидних похідних на ланцюг створюваного полімера. Одночасно на надходження первинних продуктів фотосинтезу впливає швидкість використання сахарози. Високий уміст тріозофосфатів у цитоплазмі приводить до уповільнення виходу молекул цих речовин з хлоропластів і стимулює синтез крохмалю. Швидкий відтік сахарози і використання її для утворення інших речовин створюють умови для синтезу тріозофосфатів у хлоропластах, тобто відбувається регулювання швидкості самого фотосинтезу.

Уміст сахарози у рослинних тканинах регулюється кількома факторами. Синтез сахарози забезпечує фермент сахарозосинтетаза у сполученні із сахарозофосфатсинтетазою:

Реакція, яку каталізує сахаросинтаза, легкозворотна. Активність цього ферменту вища у тканинах, де сахароза використовується (наприклад, при формуванні ендосперму злаків), і нижча у фотосинтезуючих тканинах.

Сахароза легко гідролізується за участі ферменту інвертази до глюкози і фруктози. Цей процес може відбуватися в бульбах під час зберігання в умовах низьких температур. З глюкози у пентозофосфатному циклі виникає рибулозо-5-фосфат, який може перетворюватися у рибозо- і ксилулозо-5-фосфати. Глюкозо-6-фосфат може бути вихідним субстратом для синтезу мезоінозиту – циклічного спирту, попередника ліпідів.

Про механізм синтезу целюлози у вищих рослин відомо мало. Мікрофібрили целюлози можуть виникати із складного позаклітинного матеріалу, зв’язаного з мембранами. Другим можливим механізмом є синтез полімерного попередника целюлози всередині самої клітини, можливо, в апараті Гольджі, і наступний вихід цього матеріалу крізь плазмалему.

Таким чином, вуглеводи є попередником усіх рослинних сполук, тобто це матеріал, який утворюється при фотосинтезі, а під час наступних реакцій перетворення є вихідним для різноманітних компонентів живого організму.

7.15.1. Транспортні й запасні форми вуглеводів

У більшості рослин основною транспортною формою вуглеводів є сахароза. Вуглеводи у вигляді сахарози переміщуються від місця синтезу до місця використання або накопичення. Транспортування вуглеводів відбувається здебільшого по елементах флоеми. Завантаження асимілятами ситоподібних трубок і клітин-супутниць створює підвищення осмотичного тиску, який зумовлює рух масового потоку. Це завантаження флоеми потребує енергії і характеризується вибірковістю.

На світлі у фотосинтезуючих листках одночасно із синтезом простих цукрів відбувається синтез асиміляційного крохмалю. Збільшення частки асиміляційного крохмалю серед продуктів фотосинтезу відбувається з поглибленням диференціації хлоропластів та їх старінням.

Найчастіше підвищення рівня крохмалю у хлоропластах є результатом погіршення експорту продуктів фотосинтезу із хлоропластів до цитоплазми. Для синтезу крохмалю у циклі Кальвіна вилучається фруктозо-6-фосфат, який перетворюється у глюкозо-6-фосфат, а потім у глюкозо-1-фосфат і нарешті – у АДР-глюкозу.

Накопичення крохмалю відбувається при обмеженому використанні асимілятів. Так, видалення плодів баклажанів у період їх активного росту на другу добу приводило до зниження фотосинтезу на 25–30%, значного підвищення вмісту сахарози і крохмалю в листках. Асиміляційний крохмаль у хлоропластах знаходиться у вигляді крохмальних зерен. Його функції такі:

1) роль запасної речовини, яка використовується у процесах метаболізму під час темного періоду доби, тобто при відсутності надходження продуктів фотосинтезу;

2) роль буферної речовини при стабілізації фотосинтезу, тобто забезпечує гомеостаз фотосинтетичного процесу.

3.4.3. Вуглеводний обмін при формуванні насіння і плодів

При формуванні генеративних органів, завдяки атрагуючій здатності, відбувається активний транспорт пластичних речовин до місця їх використання. У рослин пшениці, наприклад, з моменту виходу їх у трубку відтік пластичних речовин спрямований до інтенсивно ростучих колосків. Для формування і дозрівання зерна використовуються не лише первинні продукти фотосинтезу, але й розчинені вуглеводи, у які перетворюються раніше накопичені у клітинних оболонках листків і соломи клітковина, геміцелюлоза і лігнін. Тобто, при формуванні урожаю зерна відбувається відтік пластичних речовин зі стебел і листків.

Більша частина сахарози у зернівках злаків перетворюється у крохмаль. Існує єдине уявлення про те що сахароза спочатку утворює УДФ-глюкозу, потім частина УДФ-глюкози безпосередньо йде на утворення крохмалю під дією УДФ-глюкозозалежної крохмальсинтази. Фруктоза через глюкозо-1-фосфат, глюкозо-6-фосфат, фруктозо-6-фосфат також може використовуватися для синтезу крохмалю. Біосинтетичні реакції відкладання запасних речовин потребують енергії, і тому частина молекул глюкозо–1–фосфату окислюється у дихальному циклі.

Утворені первинні крохмальні зерна поступово збільшуються у розмірах під подвійною мембраною амілопласту (їх діаметр у пшениці – 20–30 мкм). Коли довжина зернівки пшениці досягає максимуму, відбувається вторинне утворення дрібних сферичних крохмальних зерен діаметром до 10 мкм, походження яких невідоме.

Крохмальні зерна у різних культур дуже різняться розмірами, формою та особливостями будови. Так, діаметр крохмальних зерен рису не перевищує 10 мкм, а бульб картоплі – 100 мкм.

3.4.4. Обмін вуглеводів залежно від екологічних факторів

і умов середовища

Дані досліджень біохімічного складу зерна, отриманого в різних районах вирощування, свідчать про існування певної закономірності між вмістом білкових речовин і вуглеводів: при підвищенні кількості білків у зерні злаків відбувається зниження вмісту крохмалю і навпаки. Як правило, зерно озимої пшениці містить більше крохмалю, ніж ярової. Але ступінь зменшення накопичення крохмалю у зерні при переміщенні вирощування пшениці на південь і схід менший, ніж ступінь збільшення накопичення білка.

Бульби картоплі при вирощуванні у північних районах мають менше крохмалю, порівняно з тими, які формувалися у південних районах. Це перш за все можна пояснити значно коротшим періодом вегетації і довгим днем під час бульбоутворення. Довгий день затримує процеси накопичення крохмалю.

3.5. Біохімічна характеристика та значення ліпідів

Ліпідами прийнято називати жири і жироподібні речовини – ліпоїди. У групу таких сполук входять насичені й ненасичені жирні кислоти, нейтральні жири (ефіри гліцерину і трьох жирних кислот), фосфоліпіди, гліколіпіди, аліфатичні спирти, воски, терпени і стероїди, які подібні фізико-хімічні властивості.

Ліпіди характеризуються двома особливостями: 1) гідрофобністю, (не розчиняються у воді); 2) при окисленні жирів вивільнюється більша кількість енергії, ніж при окисленні інших органічних сполук. Це пояснюється наявністю у молекулах численних вуглець-водневих зв’язків.

Фізичні властивості жирів визначаються складом жирних кислот і тим, насичені це чи ненасичені кислоти. У складі молекули ненасичених жирних кислот атоми вуглецю з’єднані подвійними зв’язками і тому здатні утворювати додаткові зв’язки з іншими групами атомів.

Жири дуже поширені у рослинному світі. Фізіологічні функції їх різноманітні. Ліпіди можуть входити до складу структурних компонентів клітини, бути запасною формою поживних речовин і кофакторами реакцій.

Цитоплазматичні ліпіди – це складова частина клітин, уміст яких є постійним. Кількість залежить від органа рослин (листки, стебла, плоди і корені) і звичайно становить 0,1 – 0,5% від сирої маси тканини.

Запасні ж

Дата добавления: 2015-07-18