/
Author: Кретович В.Л.
Tags: общая биохимия растения биология биохимия ботаника растениеводство издательство высшая школа
Year: 1980
Text
В. Л. КРЕТОВИЧ
В. Л. КРЕТОВИЧ
БИОХИМИЯ
РАСТЕН ИЙ
Допущено Министерством высшего и среднего
специального образования СССР
в качестве учебника для студентов
биологических факультетов университетов
МОСКВА «ВЫСШАЯ ШКОЛА» 1980
ББК 28.072
К 80
Рецензенты:
Кафедра биохимии Тбилисского университета (академик АН Гру-
зинской-ССР'С. В. Дурмишидзе) и кафедра биохимии Одесского тех-
нологического института им. М. В. Ломоносова (зав. кафедрой проф.
А. Ф. Марх)
Кретович В. Л.
К 80 Биохимия растений: Учебник для биол. факультетов
ун-тов.— М.: Высш, школа, 1980.— 445 с., ил.
В пер.: 1р. 80к.
Учебник содержит изложение основ биохимии растений. Данные о химическом
составе растительных организмов тесно связаны с представлениями и идеями, ка-
сающимися соответствующих аспектов и процессов обмена веществ. Показаны
тесная взаимосвязь и взаимозависимость биохимических процессов, лежащих в ос-
нове жизни. Излагаемый в учебнике теоретический материал увязан с практичес-
кими задачами сельского хозяйства и отраслей промышленности, перерабатываю-
щих сырье растительного происхождения.
Книга иллюстрирована многочисленными рисунками и схемами. В конце каж-
дой главы имеется перечень наиболее важных монографий и обзоров по соответ-
ствующему разделу биохимии растений.
Учебник может быть использован студентами технологических институтов
пищевой промышленности, а также студентами сельскохозяйственных вузов, ас-
пирантами, научными работниками и инженерами.
21005—176 ccv ой л7о
К------------г 54—80 2001040000 ББ* 2°-0' 2
001(01)—80 57.04
© Издательство «Высшая школа», 1980
ПРЕДИСЛОВИЕ
При подготовке учебника автор стремился
объединить данные о химическом составе расти-
тельных организмов и современные представления
общей биохимии о метаболических превращениях
различных соединений в организме. Автор считал
необходимым при изложении курса биохимии рас-
тений везде, где это можно, подчеркивать практи-
ческое значение тех или иных данных науки для на-
родного хозяйства. Вместе с тем необходимо было
отразить в книге специфику биохимии растений, так
как обмен веществ растительных организмов имеет
существенные особенности.
Автор выражает глубокую признательность
В. Н. Букину], А. Р. Гусевой, М. Н. Запрометову,
А. В. Котельниковой, А. А. Красновскому, В. В. Мо-
солову, М. С. Одинцовой, А. С. Спирину, Б. Н. Сте-
паненко и И. И. Филиппович за ценные замечания
по соответствующим главам, позволившие улуч-
шить учебник.
В списках литературы, приводимых в отдель-
ных главах, указаны основные монографии и обзо-
ры по соответствующим разделам биохимии ра-
стений.
При подготовке настоящего учебника был ис-
пользован материал курса «Основы биохимии ра-
стений», удостоенного в 1972 году за пятое издание
Государственной премии СССР.
Автор считает своим долгом выразить сердеч-
ную благодарность Ж. В. Успенской, оказавшей
большую помощь при подготовке рукописи к печа-
ти и при чтении корректур.
В. Л. Кретович
ВВЕДЕНИЕ
«Истинный химик должен быть теоретиком
и практиком».
М. В. Ломоносов
Биологическая химия, или биохимия, называемая также физиологической
химией, изучает химический состав организмов и химические превращения, про-
исходящие в процессе жизнедеятельности человека, животных, растений и микро-
организмов. Совокупность этих превращений составляет биологический обмен
веществ, лежащий в основе той формы движения материи, которую мы называем
жизнью.
Изучение веществ, входящих в состав организмов, является задачей
статической биохимии, которая теснейшим образом связана с биоорганической хи-
мией. Изучение химических превращений, происходящих в процессе жизнедея-
тельности организмов, т. е. изучение химической стороны обмена веществ, яв-
ляется задачей динамической биохимии. Необходимо подчеркнуть, что статиче-
ская и динамическая биохимия неразрывно связаны между собой —изучение
биохимических процессов немыслимо без изучения веществ, участвующих в этих
процессах.
Уже со времен глубокой древности люди были знакомы со многими биохи-
мическими процессами, лежащими в основе различных производств: хлебопечения,
сыроварения, виноделия, выделки кож и т. д. Стремление повысить урожайность
полей и использовать различные растения для изготовления пищи, лекарств,
красок, тканей, дубителей, пряностей приводило к необходимости изучать со-
ставные части растений и влияние различных веществ на их развитие и рост.
Борьба с болезнями приводила к необходимости изучать процессы, проис-
ходящие в теле здорового и больного человека, а также влияние на него различ-
ных целебных средств.
В древности и средневековье сведения о составе организмов и о происходя-
щих в них процессах были весьма ограничены и случайны. В средние века начи-
нается применение химических методов к изучению растений, животных и чело-
века. В этом направлении много было сделано в VIII—X вв., в частности
арабами, развившими алхимию, которая являлась первоначальной формой хи-
мии. Особенно большое значение имели труды великого философа, естествоиспы-
тателя и врача Абу Али Ибн-Сины (лат. Авиценны).
Однако более глубокое научное исследование природы началось со второй
половины XV в., с эпохи Возрождения, когда была сломлена духовная дикта-
тура церкви и началось освобождение естествознания от пут мракобесия и тео-
логин. В эту эпоху на основе развития экспериментальной химии начинается
изучение химического состава организмов и происходящих в них превращений
веществ. Необходимость создания общей теории химических превращений при-
водит к возникновению теории флогистона. Согласно этой теории, господствовав-
шей в XVII и XVIII вв., процесс горения обусловливается наличием в телах осо-
бого невесомого вещества —флогистона. Флогистонная теория способствовала
развитию экспериментальных исследований в области химии и ее освобождению
от фантастических измышлений алхимиков. Однако теория флогистона, как ука-
зывает Ф. Энгельс, принадлежит к числу теорий, в «которых действительные от-
ношения поставлены на голову, в которых отражение принимается за отражаемый
объект...»1.
Таким образом, флогистонная теория, не отражая реальной действитель-
ности, была разновидностью идеализма.
Сокрушительный удар по идеализму в естествознании был нанесен осново-
положником русской науки Михаилом Васильевичем Ломоносовым, открывшим
закон сохранения вещества и движения. Этот закон впервые был сформулирован
М. В. Ломоносовым в 1748 г. в письме к действительному члену Петербургской
Академии наук, знаменитому математику Леонарду Эйлеру. Ломоносов писал:
«Все перемены, в натуре случающиеся, такого суть состояния, что сколько чего
от одного тела отнимется, столько присовокупится к другому. Так, ежели где
убудет несколько материи, то умножится в другом месте... Сей всеобщий естест-
венный закон простирается и в самые правила движения: ибо'тело, движущее
своей силой другое, столько же оныя у себя теряет, сколько сообщает другому,
которое от него движение получает»2.
Великое открытие Ломоносова явилось началом новой эры в науке, началом
внедрения точных количественных методов в естествознание вообще и в химию
и физиологию в частности. На основе закона сохранения вещества и накопивше-
гося к концу XVIII в. значительного экспериментального материала Лавуазье
количественно исследовал и объяснил процессы горения и дыхания. Применение
количественных химических методов позволило установить основные закономер-
ности питания растений, в частности такого важнейшего процесса, каким явля-
ется фотосинтез. В развитии научных представлений о химизме питания расте-
ний важную роль сыграли работы Т. Соссюра, Ж. Б. Буссенго и Ю. Либиха.
Химия все шире и глубже стала внедряться в изучение явлений жизни. По вы-
ражению А. И. Герцена, «естествоиспытатель, вооруженный микроскопом, пре-
следует жизнь до последнего предела, следит за ее закулисной работой. Физио-
лог на этом пороге жизни встретился с химиком; вопрос о жизни стал определен-
нее, лучше поставлен; химия заставила смотреть не на одни формы и их видоиз-
менения, — она в лаборатории научила допрашивать органические тела о их
тайнах»3.
Дальнейшее внедрение химии в биологию привело в конце XIX в. к обособ-
лению и развитию биологической химии как самостоятельной научной дисцип-
лины.
Она развивалась на основе успехов органической химии, на основе расшире-
ния круга изучаемых ею природных веществ и усовершенствования методов син-
теза органических соединений. Однако уже само название —биологическая или
физиологическая химия —отражает специфику этой науки.
Поскольку в основе всех проявлений жизнедеятельности, всех функций
организма лежит обмен веществ, биохимия является одним из важнейших раз-
делов науки о жизни —биологии.
1 Энгельс Ф. Диалектика природы. Политиздат, 1969, с. 31.
2 Ломоносов М. В. Избранные философские произведения. М., 1950, стр. 341.
з Герцен А. И. Письма об изучении природы. Сочинения. М., 1975, т. 2, с. 90.
5
Как по своему историческому развитию, так и по существу своего содержа-
ния и применяемых методов биологическая химия теснейшим образом связана
с физиологией —наукой, изучающей закономерности явлений жизни. Качест-
венное своеобразие физиологии и неразрывно связанной с нею биологической хи-
мии может быть выражено словами Ф. Энгельса, который указывал, что «физио-
логия есть, разумеется, физика и в особенности химия живого тела, но вместе
с тем она перестает быть специально химией: с одной стороны, сфера ее действия
ограничивается, но, с другой стороны, она вместе с тем поднимается здесь на
некоторую более высокую ступень»1.
Биохимия изучает отдельные этапы процессов обмена веществ, их взаимо-
связь и взаимообусловленность, изучает физиологическую роль отдельных ве-
ществ в жизни организмов, процесс биосинтеза сложного органического вещества
из простейших веществ, а также биогеохимические превращения растительных
и животных остатков (образование илов, торфа, минерализацию органических
остатков).
Крупнейшей проблемой современной биохимии является вопрос о связи
процессов обмена веществ с теми или иными физиологическими функциями ор-
ганизма. Исследование биохимических превращений в организме должно быть
неразрывно связано с выяснением условий, при которых возникает и развивается
та или иная физиологическая функция. Это важнейшее направление в совре-
менной биохимии получило название функциональной биохимии.
Развитие органического мира, наследственность, изменчивость, образова-
ние новых видов — все эти основные проблемы биологической науки могут быть
изучены и подчинены воле человека только на основе глубоких биохимических
исследований, на основе выяснения закономерностей обмена веществ и сдвигов,
происходящих в нем под влиянием внутренних условий и условий внешней среды.
Важной ветвью современной биологической химии является эволюционная
биохимия, изучающая эволюцию биохимических функций в процессе развития
живой природы. Здесь необходимо отметить, что в нашей стране академиком
А. И. Опариным разработана получившая всеобщее признание материалистиче-
ская теория возникновения жизни на Земле.
На всем протяжении истории развития естествознания шла острая борьба
между материалистическим и идеалистическим истолкованием сущности жизни.
Идеализм в биологии, получивший в свое время название витализма, утверж-
дает, что жизнь является результатом действия каких-то сил, не подчиняющихся
законам сохранения вещества и энергии, не познаваемых человеческим умом и
наукой. Таким образом, идеалисты заранее обрекают на неудачу всякие попытки
познать сущность жизненных явлений с целью управления ими в желательном
для человека направлении.
Величайшим успехом науки и поражением идеализма было открытие
М. В. Ломоносовым «всеобщего естественного закона» сохранения вещества
и движения. Это открытие способствовало утверждению материалистических
принципов в изучении жизненных процессов и внедрению в биологию точных
физических и химических методов.
В процессе развития науки витализм неизменно отступал под натиском экс-
периментальной биохимии. Чрезвычайно острая борьба развертывалась в свое
время вокруг вопроса о возможности синтеза различных органических соедине-
ний чисто химическими методами. Виталисты утверждали, что подобные соеди-
нения могут быть синтезированы только в организмах животных и растений. Од-
нако после того как Ф. Вёлер искусственно из неорганических веществ получил
мочевину, А. Бутлеров и Э. Фишер —сахара и М. Бертлб —жиры, химиками
были синтезированы вне организма многие соединения, играющие важную роль
1 Энгельс Ф. Диалектика природы. Политиздат, 1969, с. 222.
6
= обмене веществ. Основой для синтезов подобного рода послужила теория строе-
ния органических соединений, созданная великим русским химиком А. М. Бут-
леровым. На этой основе было синтезировано множество самых разнообразных
соединений, начиная с простейших спиртов, кислот, эфиров и т. п. и кончая та-
кими, как углеводы, витамины, дубильные вещества и др. В настоящее время
химики-органики и биохимики осуществили полный химический синтез одного
из простейших белков — инсулина — гормона, выделяемого поджелудочной
железой человека и животных, а также фермента рибонуклеазы и нуклеиновых
кислот..
Длительной и весьма напряженной дискуссией сопровождалось исследо-
вание химизма спиртового брожения. Ученые-виталисты считали, что спиртовое
брожение может вызываться только лишь живыми дрожжевыми клетками, и по-
лагали, что внеклеточное брожение невозможно. Однако биохимикам в резуль-
тате длительных работ удалось выделить из дрожжевых клеток препараты, вьь
зывающие спиртовое брожение.
Несмотря на успехи науки в познании закономерностей жизненных явлений,
и в наше время некоторые естествоиспытатели придерживаются идеалистических,
а иногда откровенно мистических представлений о сущности жизни.
Современная материалистическая биология исходит из того, что в организме
нет каких-то непознаваемых сил или процессов и что установление химического
строения белков и нуклеиновых кислот и выяснение сущности процессов обмена
веществ позволят не только разрешить одну из крупнейших проблем науки —
создать искусственным путем живое вещество, но и управлять организмами в
желательном для человека направлении.
Материалистическая биология считает, что на основе глубокого изучения
процессов обмена веществ и управления этими процессами возможно направ-
ленное изменение наследственной природы организмов, выведение новых, более
ценных пород животных и сортов растений, повышение продуктивности животно-
водства и урожайности сельскохозяйственных культур.
Биохимия как самостоятельная наука зародилась в XIX в. Однако особен-
но бурное развитие биохимии началось в XX в.
В настоящее время биохимия представляет собой весьма разветвленную
область знания, охватывающую целый ряд разделов, выросших в самостоятельные
дисциплины.
В зависимости от изучаемого объекта биохимия подразделяется на био-
химию растений, биохимию микробов, биохимию животных и медицинскую
биохимию. Исключительно важная роль ферментов — веществ белковой при-
роды, являющихся катализаторами почти всех химических процессов, проис-
ходящих в организме, привела к обособлению крупного раздела биохимии —
ферментологии, изучающей свойства ферментов, условия их действия и их роль
в обмене веществ.
За последние годы бурное развитие биохимии, биофизики, электронной микро-
скопии и биоорганической химии привело к возникновению особого направ-
ления науки —молекулярной биологии, изучающей явления жизни на молеку-
лярном уровне. Однако, по словам крупнейшего представителя этого направ-
ления науки, главного редактора международного «Журнала молекулярной
биологии» Д. Кендрью, большая часть исследований, обычно относимых к этой
области (например, изучение механизма синтеза белка и репликации белка), в
действительности совершенно неотделима от биохимии.
Обмен веществ. К. А. Тимирязев указывал: «Основное свойство, харак-
теризующее организмы, отличающее их от неорганизмов, заключается в по-
стоянном деятельном обмене между их веществом и веществом окружающей сре-
ды. Организм постоянно воспринимает вещество, превращает его в себе подобное
(усвояет, ассимилирует), вновь изменяет и выделяет. Жизнь простейшей клеточ-
7
ки, комка протоплазмы, существование организма слагается из этих двух пре-
вращений: принятия и накопления —выделения и траты вещества»1.
В этих словах ясно подчеркивается мысль о том, что без обмена веществ, без
постоянного и непрерывного взаимодействия организма с внешней средой нет
жизни. Процесс взаимодействия с внешней средой может происходить также у
неорганических, неживых тел, но в этом случае химические реакции, лежащие
в основе этого взаимодействия, приводят к разрушению данного тела. В живом
организме благодаря обмену веществ происходит постоянное преобразование
ассимилированных веществ неживой природы в вещества живого тела. Обмен
веществ в данном случае является необходимым условием существования орга-
низма, условием поддержания его жизни.
Исторически сложившиеся особенности и закономерности обмена веществ
лежат в основе наследственных свойств организмов. Совокупность признаков,
свойственная определенному виду или сорту растений, породе животных, исто-
рически сложилась под влиянием условий внешней среды и определяется специ-
фическим типом обмена веществ.
Выдающийся натуралист, профессор Вильнюсского университета Е. Сня-
Децкий еще в начале XIX столетия развивал мысль об обмене веществ как ха-
рактерном признаке жизни.
Современная биохимия располагает богатым материалом, иллюстрирующим
огромное влияние условий внешней среды на обмен веществ и химические при-
знаки организмов.
Обмен веществ слагается из множества отдельных химических реакций, про-
текающих в организме и теснейшим образом связанных друг с другом. Данные
экспериментальной биохимии свидетельствуют о взаимосвязи и неразрывности
процесса поглощения и усвоения питательных веществ —ассимиляции и процес-
са их разложения и выделения —диссимиляции.
Сопряженность и взаимосвязь отдельных реакций, происходящих при ас-
симиляции и диссимиляции питательных веществ в организме, проявляются
не только в слаженности и строго определенной последовательности этих реакций,
но также в сопряженности превращений энергии, происходящих в течение всей
жизни организма. Ассимиляция питательных веществ, их превращения и синтез
органических соединений, образующих протоплазму и запасные вещества, тре-
буют для своего осуществления непрерывного притока энергии. Ассимиляция
углекислого газа фотосинтезирующими организмами и образование в них орга-
нического вещества осуществляются за счет энергии солнечных лучей, усваивае-
мых в процессе фотосинтеза.
Ассимиляция углекислого газа и биосинтез органических соединений у мно-
гих микроорганизмов происходят за счет энергии, образующейся при окислении
этими микроорганизмами различных неорганических веществ: водорода, серо-
водорода, аммиака, азотистой кислоты, соединений железа. Поскольку в данном
случае биосинтез органических соединений происходит за счет энергии, выделя-
ющейся при процессах окисления неорганических веществ, он получил название
хемосинтеза. Наконец, в организмах всех других микробов, животных и чело-
века, живущих за счет готовых органических соединений, синтетические реак-
ции, составляющие основу процесса ассимиляции, осуществляются за счет энергии,
образующейся в результате процессов дыхания или брожения. Необходимо отме-
тить, что потребность в энергии, необходимой для осуществления синтетических
процессов, хлорофиллоносные растения также частично покрывают за счет ды-
хания.
Таким образом, все организмы, за исключением фотосинтетиков, черпают
энергию, необходимую для осуществления синтетических реакций и процесса
1 Тимирязев К. А. Сочинения, 1938, т. 5, с. 146.
8
вггимиляции, из одновременно протекающего процесса диссимиляции —окис-
ления различных неорганических веществ, дыхания или брожения. Свободная
энергия, освобождающаяся при одной ферментативной реакции, обычно окис-
лительно-восстановительной, используется при одновременно протекающей дру-
й ферментативной реакции, обычно синтетической, требующей для своего осу-
ществления затраты определенного количества энергии.
Жизнь была бы невозможна без подобной энергетической сопряженности
ттлельных реакций обмена в организме и без наличия специальных систем, на-
капливающих свободную энергию, образующуюся при окислительно-восстано-
в ительных реакциях. Важнейшей из таких систем, накапливающей свободную
энергию и передающей ее для использования клеткой, является система адено-
з -нтрифосфат^ аденозиндифосфат.
Теснейшая взаимосвязь реакций обмена веществ проявляется не только в
тх химической и энергетической слаженности, но также во взаимодействии
>: сопряженности обмена веществ различных частей и органов живого тела.
Б частности, целый ряд наблюдений свидетельствует о том, что в клетке происхо-
дит постоянный обмен веществ между ядром и цитоплазмой. Электронно-микро-
скопические наблюдения и опыты, проведенные с помощью изотопной методики
на клетках корешков бобов и на других объектах, показали, что РНК из кле-
точного ядра мигрирует в цитоплазму. Однако в клетках часть РНК синтези-
руется и в форменных элементах цитоплазмы —хлоропластах и митохондриях.
Более того, хлоропласты и митохондрии способны к синтезу собственной ДНК.
Таким образом, эти субклеточные структуры (органеллы) растительной клетки
обладают определенной автономностью в отношении биосинтеза ДНК, РНК и
некоторых белков.
В последние годы интенсивно исследуется роль различных морфологиче-
ских структур клетки в проявлении и регулировании биохимических процессов.
Установлена локализация различных веществ, ферментов и ферментных систем
клетки, изучена их роль в осуществлении важнейших физиологических функ-
ций — дыхания, фотосинтеза, биосинтеза белков, нуклеиновых кислот и других
соединений. В результате подобных исследований в области функциональной
биохимии субклеточных структур показана взаимосвязь и взаимозависимость всех
биохимических процессов, лежащих в основе жизни.
Основным методом исследований в области функциональной биохимии суб-
клеточных структур является дифференциальное центрифугирование гомогена-
тов — суспензии разрушенных тканей или клеток в буферном растворе, содер-
жащем те или иные добавки, предохраняющие субклеточные структуры от раз-
рушения. В результате при различных скоростях центрифугирования оседают и
могут быть выделены различные субклеточные структуры — хлоропласты, ядра,
митохондрии, рибосомы, мембраны и т. д. Важные результаты, характеризую-
щие локализацию в клетке тех или иных соединений и биохимических процес-
сов, получены также путем сочетания электронной микроскопии с различными
цитохимическими методами.
Все эти исследования позволили ввести в науку понятие о компартментации
(от англ, слова «compartment» —отделение) биохимических процессов в клет-
ке, т. е. их локализации в тех или иных субклеточных структурах — ядре, хлоро-
пластах, митохондриях, лизосомах, вакуолях и т. д., отделенных от цитоплаз-
мы белково-липидными мембранами.
Чем же объясняется та поразительная слаженность и сопряженность отдель-
ных биохимических реакций, совокупность которых составляет обмен веществ
в организме? Этот вопрос является одним из основных вопросов биологии, и во-
круг него в течение всей истории развития этой науки развертывалась ожесто-
ченная борьба между идеализмом и материализмом.
Идеалисты в биологии — виталисты — полагают, что закономерности об-
9
мена веществ и жизни организма объясняются существованием особой немате-
риальной силы, не поддающейся изучению и лежащей за пределами познания че-
ловека. Эта нематериальная, особая сила была названа виталистами «жизненной
силой». Подобное представление о наличии какой-то особой, нематериальной
силы, управляющей жизнью организма, видоизменялось с течением времени, по
мере успехов экспериментальной науки.
Независимо от того, какие названия придумывают виталисты для «жизнен-
ной силы» —душа, энтелехия, внематериальные операторы и т. д., в конечном
счете закономерности обмена веществ и развития организмов они объясняют
творческой волей божества. Таким образом, витализм расписывается в своем бес-
силии познать сущность жизненных явлений на основе законов физики и химии,
ставит пределы нашему познанию природы и ограничивает возможности управ-
ления жизненными процессами на пользу человеку.
Вся история развития физиологии и биохимии свидетельствует об ошибоч-
ности основного положения виталистов о непознаваемости жизненных явлений.
Она свидетельствует о непрерывных поражениях витализма и его отступлении
перед данными науки и практики. Так, например, предсказание виталистов,
что наука бессильна производить органические вещества, образующиеся в жи-
вотных и растениях, с помощью чисто химических воздействий, полностью опро-
вергнуто всем последующим развитием органической химии. Удалось синтези-
ровать такие сложные органические вещества, образующиеся в растениях и жи-
вотных, как жиры, углеводы, терпены, каротиноиды, витамины. В настоящее
время химики-органики и биохимики осуществили труднейшую и сложнейшую
задачу —синтез некоторых белков и нуклеиновых кислот и даже некоторых
генов.
Чрезвычайно яркие примеры успехов науки и поражений витализма в вопро-
се о сущности жизни и закономерностях обмена веществ могут быть приведены
из истории развития учения о ферментах. В период, когда были произведены
знаменитые работы Луи Пастёра, процесс брожения объясняли воздействием, ока-
зываемым на сахар теми или иными микроорганизмами —дрожжами, бактерия-
ми или плесневыми грибами. Пастёр указывал, что брожение сахаристых раство-
ров возможно только лишь благодаря жизнедеятельности тех или иных микро-
организмов, которые он называл «организованными ферментами». Противо-
положная точка зрения, считавшая, что брожение представляет собой чисто
химический процесс, вызываемый каталитическим действием на молекулу сахара
особых веществ, выделяемых микроорганизмами, не имела под собой эксперимен-
тальной почвы.
Однако немецкому биохимику Эдуарду Бухнеру в 1897 г. удалось получить
из дрожжей сок, не содержавший клеток, но так же, как и живые дрожжи, вы-
зывающий брожение. Таким образом, сложный процесс брожения был осуществ-
лен с помощью содержащихся в дрожжевом соке ферментов. На основе этого от-
крытия позже самым детальным образом была изучена каталитическая система
дрожжевого сока и отдельные ферменты, входящие в ее состав.
В ответ на этот успех науки виталисты выдвинули новые возражения. Они
указывали на то, что спиртовое брожение является процессом разложения и что
реакции, катализируемые при физиологических условиях растворимыми фер-
ментами — пепсином, амилазой или липазой, приводят к разложению сложных
органических соединений: белка, крахмала или жира. Они подчеркивали, что ха-
рактернейшим свойством живых организмов является способность к синтезу
сложных органических соединений в физиологических условиях, т. е. при срав-
нительно низких температурах, без воздействия применяемых химиками силь-
ных кислот, щелочей, давлений и т. д. Осуществление подобных ферментативных
реакций, как указывали виталисты, якобы невозможно вне организма.
По этому поводу К. А. Тимирязев писал, что ферментам «была присвоена
10
роль факторов исключительно аналитического характера (курсив автора), иск-
лючительно разрушающих; можно было говорить: где есть сложные тела (напри-
мер, белковые) и ферменты, там дана возможность появления всевозможных
продуктов их распада, но этим разъяснялась только половина, и наименее инте-
ресная половина химизма организмов. Оставался открытым вопрос: а обратные
и самые существенные явления, ... образование сложных тел из более простых —
под влиянием каких факторов происходят они? Вновь из-за угла выглядывал
призрак жизненной силы ... Виталисты могли говорить: ваши растворимые
химические ферменты только разрушают; созидание, синтез —тайна жизни»1.
Это возражение виталистов также было опровергнуто всем последующим
ходом развития биохимии. С помощью ферментов удалось при физиологических
условиях синтезировать жиры, целый ряд полисахаридов. — сахарозу, рафино-
зу, лактозу, амилозу, амилопектин, гликоген. В настоящее время доказана
возможность ферментативного синтеза различных белков и нуклеиновых кислот.
Таким образом, и это возражение было снято.
Однако виталисты выдвинули новый аргумент. Они указывали на то, что
протоплазма обладает асимметрией и что способность к асимметрическому син-
тезу, в результате которого образуются оптически деятельные соединения, при-
суща только живой материи и не может быть воспроизведена вне организма.
Действительно, если мы производим асимметрический синтез с помощью
фермента и получаем в результате преобладание правого или левого изомера, то
ведь сам фермент как вещество, образовавшееся в результате деятельности прото-
плазмы, является асимметрическим веществом. А может ли возникнуть асиммет-
рическое соединение, так сказать, первичным путем, без участия какого-либо
оптически деятельного вещества, являющегося продуктом жизнедеятельности
протоплазмы? Может ли возникнуть первичная асимметрия под влиянием чисто
физических или химических сил? Виталисты отвечали на этот вопрос отрица-
тельно.
Однако и в этом вопросе, так же как и в других, витализм должен был от-
ступить под натиском фактов. Удалось показать, что фотохимические реакции,
идущие под влиянием поляризованного по кругу света, приводят к образованию
оптически активных соединений. Это, например, было показано в отношении
некоторых производных пропионовой кислоты, а также в отношении так назы-
ваемых хмелевых кислот, содержащихся в плодах хмеля. Вместе с тем установ-
лено, что в присутствии катализаторов, содержащих оптически активный при-
родный минерал (например, правый или левый кварц), реакции синтеза органи-
ческих соединений протекают с образованием оптически активных форм. Та-
ким образом, вопрос о первичном асимметрическом синтезе, происходящем под
влиянием физических сил, решен в положительном смысле.
Незначительная первичная асимметрия аминокислот и белков, образовав-
шихся на самых начальных стадиях возникновения жизни на Земле, постепенно
возрастала благодаря накоплению асимметрических соединений, поскольку в
процессе развития органического мира большая степень асимметрии создавала
для простейших организмов определенные биологические преимущества.
Все изложенное нами ярко свидетельствует об успехах науки и является
иллюстрацией мысли К- А. Тимирязева, который в своей речи «Витализм и
наука» указывал: «Приступая к объяснению какого-либо явления, нельзя от-
правляться от того положения, что оно необъяснимо. Виталист, как виталист
(курсив автора), обречен на бесплодие... Торжество витализма заключается толь-
ко в неудачах науки, торжество противоположного воззрения — в ее успехах»2.
Успехи экспериментальной физиологии и биохимии в объяснении жизненных
1 Тимирязев К. А. Сочинения, 1939, т. 8, с. 181—182.
? Тимирязев К- А. Витализм и наука. Сочинения, 1938, т. 5, с.. 188.
П
явлений на основе законов физики и химии привели к весьма распространен-
ному представлению о том, что живой организм является чрезвычайно сложной
машиной, целиком и полностью подчиняющейся физическим и химическим зако-
нам. Это представление, являющееся основой механистического материализма,
отрицает какую-либо специфику жизненных явлений, отрицает существование
специфических биологических закономерностей.
Диалектический материализм признает, что законы физики и химии пол-
ностью приложимы к явлениям жизни. Вместе с тем диалектический материа-
лизм устанавливает, что для объяснения жизненных явлений недостаточно лишь
одних физических и химических законов и что эти явления подчиняются своим
особым биологическим закономерностям.
Ограниченность механистического материализма в вопросе о сущности
жизненных явлений явствует из нижеследующих слов Энгельса: «Когда химия по-
рождает белок, химический процесс выходит за свои собственные рамки... Он всту-
пает в некоторую более богатую содержанием область —область органической
жизни. Физиология есть, разумеется, физика и в особенности химия живого
тела, но вместе с тем она перестает быть специально химией: с одной стороны,
сфера ее действия ограничивается, но, с другой стороны, она вместе с тем под-
нимается здесь на некоторую более высокую ступень»1.
Эту же мысль высказал выдающийся фитофизиолог и биохимик профессор
Ф. К. Стюарт, который в своем докладе, посвященном задачам физиологии рас-
тений, писал: «Многие важнейшие проблемы биологии —проблемы роста и раз-
вития, дифференцировки и морфогенеза — связаны с системами, оперирующими
на уровнях, значительно более высоких, чем молекулярный уровень, даже не-
смотря на то, что регулирование этих систем осуществляется посредством сравни-
тельно простых химических соединений».
Биохимия растений, развиваясь на основе общих принципов и достижений
биохимии, имеет свои существенные особенности, определяемые двумя характер-
ными свойствами растительного организма. Это, во-первых, способность расте-
ний синтезировать различные органические соединения из углекислоты, воды и
поступающих из почвы неорганических веществ. Во-вторых, это колоссальное
разнообразие синтезируемых в растениях органических соединений. Организм
животного не способен синтезировать все 20 аминокислот, входящих в состав
белков, а в растениях найдено свыше 200 аминокислот. Они могут образоваться
только в растительном организме. Растения синтезируют огромное число разно-
образных терпеноидов, флавоноидов, алкалоидов и других соединений (в расте-
ниях открыто около 10 000 различных алкалоидов).
Характерная особенность обмена веществ у растений —способность к син-
тезу различных фенольных соединений и их производных, в частности такого
специфического для растений соединения, как лигнин.
Значение биохимии растений для практики. Биохимия имеет большое практи-
ческое значение для медицины, сельского хозяйства и ряда отраслей промышлен-
ности. Исключительно важная роль биохимических процессов во многих отраслях
промышленности, занимающихся переработкой сырья растительного или живот-
ного происхождения, необходимость научного обоснования и усовершенство-
вания технологии привели к созданию технической биохимии, включающей в
себя биохимию зерна и хлебопечения, биохимию виноделия, биохимию чайного
производства и т. д.
Биохимия растений, изучающая химический состав растительных орга-
низмов и протекающие в них биохимические процессы, имеет большое значение
для растениеводства и ряда отраслей пищевой промышленности. Ее значение
для растениеводства заключается прежде всего в том, что изучение процессов
1 Энгельс Ф. Диалектика природы. Политиздат, 1969, с. 222.
12
хмена веществ у растений дает нам возможность управлять развитием расти-
-едьных организмов.
Установление в растениях закономерностей синтеза углеводов, белков, жи-
ге в. витаминов, алкалоидов и других соединений даст возможность создавать
дня соответствующих сельскохозяйственных культур условия, обеспечивающие
-злучение наибольшего количества данного вещества. Направленное изменение
геохимическими методами обмена веществ позволит создавать новые формы расти-
тельных организмов, наиболее ценные в хозяйственном отношении. Селекция но-
вых сортов многих растений целиком основана на применении биохимических
методов, с помощью которых определяют содержание в данном сорте того или
иного вещества: белка, сахара, масла, крахмала, витаминов и т. д. При этом
особое значение имеет разработка новых, быстрых и вместе с тем достаточно точ-
ных экспресс-методов количественного определения в растительном сырье того
или иного вещества.
Глубокое познание сущности биохимических процессов, происходящих
при фотосинтезе, позволит с наибольшей эффективностью использовать энергию
солнечных лучей и в конечном счете осуществить мечту К- А. Тимирязева об
искусственном получении питательных веществ из углекислого газа и воды за
счет солнечной энергии.
Отмечая исключительную важность этой проблемы, выдающийся советский
натуралист академик В. И. Вернадский писал: «Пользуясь непосредственно
энергией солнца, человек овладеет источником энергии зеленых растений, той
формы ее, которой он сейчас пользуется через посредство этих последних как для
своей пищи, так и для топлива. Непосредственный синтез пищи, без посредни-
чества организованных существ, как только он будет открыт, коренным образом
изменит будущее человека»1.
В настоящее время, когда человечество наряду с энергией солнечного света
может располагать неограниченными энергетическими ресурсами, таящимися в
недрах атома, перед учеными возникает грандиозная проблема синтеза питательных
веществ из углекислого газа, воды и аммонийных солей за счет строго контролируе-
мых источников атомной энергии. Разрешение этой проблемы даст человечеству
возможность обеспечить себя практически неограниченным источником пищи.
Сложной и ответственной задачей, стоящей перед биохимией растений, яв-
ляется глубокое изучение обмена веществ у растений и отдельных их органов —
семян, клубней и т. д.,а также влияния на него различных факторов внешней
среды. Это имеет большое значение для понимания тех процессов обмена веществ
в хранящемся растительном сырье (зерне, плодах или овощах), от которых
зависят стойкость данного сырья во время хранения и величина потерь. Акаде-
мик А. И. Опарин указывает, что так называемые «нормальные» потери мате-
риалов, происходящие при хранении, являются, по существу, результатом на-
шего невежества, нашего незнания внутренних биохимических процессов, про-
исходящих в клетках и тканях зерна, свеклы, картофеля и прочего живого сырья.
Лишь на основе глубокого изучения сущности биохимических процессов в хра-
нящемся сырье растительного происхождения и исследования влияния на эти
процессы различных факторов возможна наиболее рациональная организация
хранения больших масс того или иного растительного сырья и сведение потерь
до минимума.
Исключительно велика роль биохимии в усовершенствовании технологиче-
ских процессов пищевой промышленности и создании новых схем и принципов
переработки пищевого сырья растительного происхождения.
Советская пищевая промышленность превратилась в крупную, насыщенную
техникой и механизированную отрасль народного хозяйства, развивающуюся
1 Вернадский В. И, Биогеохимические очерки. М., 1940, с. 55.
J3
на строго научных основах. В каждой из отдельных отраслей пищевой промыш-
ленности ведется большая научно-исследовательская работа, в которой сущест-
венную роль играют биохимики. Благодаря глубоким биохимическим исследова-
ниям советских ученых удалось весьма существенно рационализировать многие
технологические процессы, а некоторые отрасли промышленности создать со-
вершенно заново. Достаточно привести лишь несколько примеров, иллюстрирую-
щих это положение.
В табачной промышленности в течение длительного времени ферментация
табака производилась лишь в строго определенное время года, когда температур-
ные условия позволяли осуществлять этот важный процесс сырьевой обработки
табака. Советский ученый, профессор А. И. Смирнов на основе глубокого изу-
чения биохимических процессов, протекающих во время ферментации, а также
условий, способствующих осуществлению этих процессов, разработал совершенно
новый метод внесезонной ферментации табака. Предложенный им метод лег в ос-
нову создания специальных ферментационных заводов, работающих в любое
время года в тщательно контролируемых условиях. Внесезонная ферментация
дала чрезвычайно большую экономию советской табачной промышленности.
Вторым примером важности биохимических исследований для усовершенст-
вования технологических процессов в пищевой промышленности могут служить
работы А. И. Опарина, А. Л. Курсанова и их сотрудников в области биохимии
чайного производства. Эти исследования вскрыли сущность биохимических
процессов, протекающих во время переработки чайного листа, и их влияние на
качество готовой продукции. На основе этих исследований удалось усовершенст-
вовать технологию чайного производства и внедрить на чайных фабриках систему
биохимического контроля, дающую возможность получать чай более высокого
качества.
Наконец, можно указать на исследования академика С. П. Костычева и про-
фессора В. С. Буткевича, которые изучали биохимические процессы, протекаю-
щие во время развития некоторых плесневых грибов на сахарных растворах,
й на этой основе разработали промышленные схемы получения лимонной кислоты,
широко применяемой в некоторых отраслях пищевой промышленности, а также
в медицине.
Не менее существенна роль биохимических процессов в таких отраслях
пищевой промышленности, как мукомольная, хлебопекарная, витаминная, кон-
сервная, винодельческая, пивоваренная, спирто-водочная. Такой важный этап
подготовки зерна к пэмолу, как кондиционирование, заключается в обработке
зерна водой и теплом, во время которой происходит ряд биохимических процес-
сов, вызывающих улучшение хлебопекарных качеств зерна. Глубокие фермента-
тивные превращения веществ происходят во время замеса и брожения теста, а
также во время выпечки хлеба. Качество готового хлеба чрезвычайно сильно за-
висит от химического состава муки и от активности содержащихся в ней фермен-
тов. Именно повышенной активностью некоторых ферментов объясняются весь-
ма низкие хлебопекарные качества муки из проросшего или морозобойного зерна,
а также из зерна, поврежденного клопами-черепашками.
Витаминная промышленность является той отраслью промышленности, ко-
торая полностью основывается на биохимии как в изыскании сырьевых ресур-
сов, так и в технологии, а также применении витаминов.
В консервной промышленности весьма нежелательными являются некоторые
биохимические процессы, приводящие к разрушению витаминов и ухудшению
потребительских достоинств продукта. Ряд технологических приемов, применяе-
мых при консервировании, направлен именно на предотвращение подобного рода
процессов.
Чрезвычайно тесно связаны с биохимией все отрасли пищевой промышлен-
ности, основанные на использовании различных видов брожения. Весьма харак-
Г4
^гоно, например, что ведущий цех современного завода шампанских вин носит
^звание биохимического цеха.
Таким образом, роль биохимии в ряде отраслей пищевой промышленности,
занимающихся переработкой растительного сырья, весьма существенна.
Краткий очерк истории развития биохимии в СССР. В развитии биохимии
юсбще и биохимии растений в частности, а также ее технических приложений
зесьма велик вклад наших отечественных ученых. До Великой Октябрьской со-
_?:злистической революции биохимией в России занимались лишь отдельные уче-
ные. работавшие главным образом на кафедрах в высших учебных заведениях.
Чногие из этих исследователей оставили глубокий след в науке, создали круп-
ные научные школы и заложили основы некоторых важнейших разделов биохи-
мии.
Так, в самом начале XIX в., в 1814 г., действительным членом Российской
академии наук К. С. Кирхгофом было сделано важное открытие: он установил,
что в проросшем зерне содержится вещество, вызывающее осахаривание крах-
мала. Это вещество было первым описанным наукой ферментом и получило впо-
следствии название диастаза или амилазы. Открытие Кирхгофа нужно рассмат-
ривать как начало развития ферментологии.
Идею о первостепенной роли обмена веществ в жизненных процессах разви-
вал один из основоположников биохимии в России, профессор Казанского и
Харьковского университетов, а затем Военно-медицинской академии в Петер-
бурге, академик Александр Яковлевич Данилевский (1838—1923). Под его руко-
водством были выполнены экспериментальные исследования, установившие прин-
ципиально весьма важный факт обратимости действия ферментов. Данилевским
был предложен метод разделения ферментов с помощью избирательной адсорбции
их из раствора на коллоидных осадках. Этот метод впоследствии был использован
выдающимся немецким биохимиком Р. Вильштеттером для выделения и очистки
многих ферментов.
Крупнейший вклад в дело изучения ферментов и выяснения сущности их
действия был внесен в науку великим русским естествоиспытателем академиком
Иваном Петровичем Павловым (1849—1936) и его школой. Его классические
работы, посвященные изучению ферментов пищеварительного тракта у живот-
ных, дали мощный толчок дальнейшему развитию ферментологии.
В своих «Лекциях по физиологии» Павлов высказал мысль о том, что «фер-
менты — тела белковой природы». Эта идея, высказанная им в самом начале
развития ферментологии, в настоящее время полностью доказана эксперимен-
тально. Весьма важную роль сыграли исследования И. П. Павлова и его уче-
ника Н. П. Шеповальникова в разработке понятия о зимогене —неактивной
форме фермента, превращающейся под влиянием особых активаторов в актив-
ный фермент.
Крупная биохимическая школа была создана во второй половине XIX в.
Г. Бунге, профессором университета в Юрьеве (Тарту). Им в 1888 г. был напи-
сан один из первых русских учебников биологической химии, получивший в свое
время весьма широкое распространение.
В Тартуском университете начал свою деятельность основоположник уче-
ния о витаминах Николай Иванович Лунин (1854—1937). Занимаясь вопросом
о влиянии различных питательных веществ на рост молодых мышей, он устано-
вил, что нормальный рост наблюдается лишь тогда, когда животные получают
с пищей не только белки, жиры, углеводы и минеральные соли, но также незна-
чительные количества каких-то других веществ органической природы, содержа-
щихся в молоке. Эти вещества, без которых невозможны нормальный рост и раз-
витие животных, впоследствии получили название витаминов.
Единственной исследовательской биохимической лабораторией, существо-
вавшей в России до революции, была лаборатория профессора М. В. Ненцкого
15
(1847—1901) в Институте экспериментальной медицины в Петербурге. Он явля-
ется одним из основоположников нашей отечественной биохимии. Особенную
известность получили проведенные им совместно с академиком И. П. Павловым
исследования в области химизма образования мочевины у животных, а также
работы, посвященные изучению разложения белков под влиянием бактерий, и
исследования по химии зеленого красящего вещества растений —хлорофилла.
Ненцкий совместно с Л. Мархлёвским установил, что хлорофилл и красящее
вещество крови — гем — имеют очень близкое химическое строение. В свое
время великий русский ученый К. А. Тимирязев подчеркивал, что это открытие
имело большое принципиальное значение.
В Институте экспериментальной медицины в Петербурге работал один из
корифеев микробиологии Сергей Николаевич Виноградский (1856—1953). Его
классические исследования в области обмена веществ у микроорганизмов имели
чрезвычайно важное значение для развития общей физиологии и биохимии.
Ближайшим сотрудником С. Н. Виноградского был академик Василий Леони-
дович Омелянский (1867—1928), известный своими трудами в области микро-
биологии и биохимии брожений.
Еще М. В. Ломоносов указывал на исследование растений как на одну из
важнейших задач химической науки. В плане лекций по химии он намечает гла-
ву, которую называет следующим образом: «Часть первая экспериментальной
химии —содержит опыты с растениями»1.
Первый учебник биохимии, изданный в России, «Курс физиологической
химии», опубликованный в 1847 г. профессором Харьковского университета
А. Ходневым, в значительной части был посвящен химии растительных веществ.
Ходнев, экспериментально работавший в области изучения пектинов, очень
много места уделяет в своем труде описанию таких веществ растительного проис-
хождения, как крахмал, инулин, лихенин, растительные слизи, маннит, хлоро-
филл, пектин.
Биохимия растений до Великой Октябрьской социалистической революции
развивалась главным образом на кафедрах ботаники и физиологии растений.
Одним из первых дореволюционных центров биохимии растений в нашей
стране была кафедра физиологии растений Петербургского университета, воз-
главлявшаяся академиком Андреем Сергеевичем Фаминцыным (1835—1918).
Выдающейся заслугой Фаминцына было создание крупного обзорного труда
«Обмен веществ и превращение энергии в растениях», который в течение многих
лет служил настольным руководством для ряда поколений русских физиологов
и биохимиков. Этот труд Фаминцына был просмотрен великим русским химиком
А. М. Бутлеровым, который способствовал его скорейшему опубликованию.
Наиболее выдающимися учениками Фаминцына были профессор Дмитрий Иоси-
фович Ивановский (1864—1920) и академик Иван Парфеньевич Бородин (1847—
1930).
Д. И. Ивановский, еще будучи начинающим ученым, открыл фильтрующиеся
вирусы, вызывающие целый ряд заболеваний у растений и животных. Это откры-
тие Ивановского имело исключительно большое значение и явилось началом
развития науки о вирусах, получившей название вирусологии.
И. П. Бородин отличался широтой своих научных интересов. Часть работ
он посвятил исследованию дыхания растений и участия белков в этом процессе.
В этих работах он развивал совершенно правильную, но оспаривавшуюся в то
время идею о теснейшей связи и сопряженности дыхания растений с превраще-
нием белков. Другой цикл биохимических работ Бородина был посвящен выяс-
нению химической природы и условий накопления в растениях продуктов глубо-
кого расщепления белков.
1 Модзалевский Л. Б. Рукописи Ломоносова в Академии наук СССР. М., 1937, с. 39.
16
Профессором Воронежского университета Михаилом Семеновичем Цветом
<1872— 1919), работавшим над изучением хлорофилла и желтых красящих
веществ растений, впервые был разработан хроматографический адсорбционный
метод разделения смесей различных содержащихся в растворе веществ. Этот ме-
тод в настоящее время является одним из важнейших методов, применяемых в
органической химии и биохимии для разделения смесей различных веществ и вы-
деления отдельных веществ в чистом виде.
Исключительно важное значение в развитии биохимии растений имела
школа замечательного русского физиолога, профессора Московского универси-
тета и Петровской (ныне Тимирязевской) сельскохозяйственной академии Кли-
мента Аркадьевича Тимирязева (1843—1920). Тимирязев прославился классиче-
скими исследованиями в области изучения процесса усвоения углекислого
газа зелеными растениями на свету (фотосинтеза), а также работами по физике
и химии хлорофилла. Будучи одним из крупнейших русских естествоиспыта-
телей и прогрессивных общественных деятелей, Тимирязев привлекал в свою ла-
бораторию талантливых молодых ученых, многие из которых стали впоследствии
крупнейшими исследователями в области биохимии растений.
Из учеников Тимирязева особенно большую роль в развитии биохимии
растений сыграли академики Владимир Иванович Палладии (1859—1922) и
Димитрий Николаевич Прянишников (1865—1948).
В. И. Палладии, профессор Петербургского университета, один из наиболее
выдающихся исследователей в области физиологии и биохимии растений, зало-
живший основы современных представлений о химизме дыхания растений, соз-
дал крупную школу биохимиков растений, к которой принадлежали академик
С. П. Костычев (1877—1931), профессора Н. Н. Иванов и В. К. Залесский.
Академик Сергей Павлович Костычев, известный своими трудами в области
химизма брожения, дыхания растений и образования органических кислот у
растений, после Великой Октябрьской социалистической революции возглавлял
лабораторию биохимии и физиологии растений Академии наук СССР и кафедру
физиологии и биохимии растений Ленинградского университета.
Д. Н. Прянишников, прославленный основатель школы советских агро-
химиков, был вместе с тем и выдающимся биохимиком, основоположником
современных представлений о роли азота в жизни растений и химизме превраще-
ния белков в растительном организме. Его работы в этой области признаны клас-
сическими. Среди учеников Прянишникова
особо нужно отметить профессоров А. А.
Шмука и А. И. Смирнова, крупнейших ис-
следователей в области биохимии табака.
Большое значение имели труды про-
фессора Владимира Степановича Буткеви-
ча (1872—1942), выдающегося ученика
К- А. Тимирязева. Его работы посвящены
главным образом превращениям белков в
растениях и химизму образования органи-
ческих кислот (лимонной, щавелевой и др.)
плесневыми грибами и высшими растениями.
Бурный расцвет биохимии начался в
нашей стране после Великой Октябрьской
социалистической революции. Этому спо-
собствовали прежде всего исключительно
благоприятные условия, созданные в СССР
для научной работы.
Уже в 1921 г. крупнейший ученый и
общественный деятель А. Н. Бах (1857 —
Алексей Николаевич Бах
(1857—1946)
17
1946) организует в Москве Научно-исследо-
вательский биохимический институт Народ-
ного комиссариата здравоохранения, сыграв-
ший важную роль в развитии биохимии и в
подготовке биохимических кадров. Академик
А. Н. Бах являлся одним из основоположни-
ков современных представлений о химизме
дыхания, организатором и руководителем
школы советских биохимиков.
В Московском университете академиком
В. С. Гулевичем проводятся исследования по
азотистым экстрактивным веществам мышц.
В 1925 г. А. В. Палладии организует в
Харькове Биохимический институт, который
в настоящее время входит в состав Академии
наук Украинской ССР и является одним из
крупнейших биохимических центров в СССР.
В конце 20-х годов под руководством
профессора Н. Н. Иванова в Ленинграде на-
чинает свою работу отдел биохимии Всесо-
юзного института растениеводства. Коллек-
Александр Робертович Кизель
(1882—1948)
тив этого отдела проделал очень большую ра-
боту по биохимической характеристике важнейших видов и сортов культурных
растений, обобщенную в капитальном восьмитомном труде «Биохимия культур-
ных растений» и в ряде специальных монографий.
В 1929 г. в Московском университете была создана кафедра биохимии ра-
стений, организатором и первым руководителем которой был выдающийся совет-
ский биохимик и педагог, профессор Александр Робертович Кизель (1882—1948).
Центром подготовки кадров по химии растений становится кафедра органи-
ческой химии Московской ордена Ленина сельскохозяйственной академии
им. К. А. Тимирязева. Под руководством академика Николая Яковлевича Демь-
янова (1861—1938) создан ряд учебных пособий по методам анализа растений
и по химии веществ растительного происхождения. В 1933 г. вышла в свет книга
Н. Я. Демьянова и В. В. Феофилактова «Химия растительных веществ». В 1934 г.
А. В. Благовещенским было опубликовано пособие «Биохимия растений».
В 1935 г. академиком А. Н. Бахом и его ближайшим сотрудником А. И. Опа-
риным в Москве создается Институт биохимии Академии наук СССР, носящий
в настоящее время имя А. Н. Баха. Институт является основным центром на-
учно-исследовательской работы в области биохимии растений и технической
биохимии. Под руководством академиков А. Н. Баха и А. И. Опарина сформи-
ровалась крупнейшая в СССР биохимическая школа, плодотворно работающая
над изучением обмена веществ у растений и разрешающая в тесном содружестве
с рядом отраслевых институтов проблемы технической биохимии.
В 1945 г. в Москве был организован Институт медицинской и биологиче-
ской химии Академии медицинских наук СССР. В этом институте ведутся ис-
следования в области белкового и углеводного обмена, а также исследования по
химии белков.
Разнообразные исследования по биохимии и химической физиологии расте-
ний проводятся в Институте физиологии растений имени К. А. Тимирязева
АН СССР в Москве. За последние годы созданы Институт молекулярной биоло-
гии, Институт белка, Институт биоорганической химии, Институт фотосинтеза,
Институт биохимии и физиологии микроорганизмов Академии наук СССР, а так-
же Институт физиологии растений в Киеве, Институт химии растительных ве-
ществ в Ташкенте, Сибирский институт физиологии и биохимии растений в Ир-
кутске, Институт биохимии растений в Тбилиси.
18
В университетах, медицинских и сельскохозяйственных учебных заведениях
:сганизуются кафедры биологической химии, готовящие кадры биохимиков и
'^сводящие большую научно-исследовательскую работу. Кафедры биохимии со-
гддются в технологических вузах, связанных с переработкой растительного сырья.
Широко развернулись работы в области биохимии в институтах Всесоюзной
г.чадемии сельскохозяйственных наук им. В. И. Ленина, а также в ряде отрасле-
вых на учно- исследовательских институтов, обслуживающих соответствующие
:трасли промышленности: мукомольную, хлебопекарную, сахарную, витамин-
ную. винодельческую, кондитерскую, табачную, чайную, жировую, консервную
л элеватор но-складское хозяйство.
Стремление теснейшим образом увязать глубокие теоретические исследова-
ния с запросами практики и внедрить получаемые результаты в народное хо-
зяйство является характернейшей особенностью советской биохимической школы.
В области технической биохимии советская наука добилась значительных
успехов. Советские ученые работают в области биохимии зерна, муки и хлеба,
плодов, овощей, чая, табака и т. д. Широкий круг исследований проводится по
выявлению новых витаминных ресурсов и разработке новых принципов техно-
логии в витаминной промышленности, а также в области биохимии брожений.
Исследования в области технической биохимии оказали большую помощь
нашему народному хозяйству в деле усовершенствования способов хранения
пищевого сырья растительного происхождения, рационализации методов его
переработки, налаживания контроля технологического процесса и разработки
объективных методов определения качества сырья и готовой продукции.
Важным показателем успехов биохимии в нашей стране является увеличе-
ние числа публикуемых работ. До Великой Октябрьской социалистической ре-
волюции в России отсутствовали периодические издания, посвященные специ-
ально биохимии.
С 1922 г. издается ежегодник «Успехи биологической химии», в котором
публикуются обзорные статьи, освещающие достижения в различных разделах
биохимии. Академией наук СССР, издается журнал «Биохимия» (основан акаде-
миком А. Н. Бахом). Академия наук Украинской ССР издает «Украинский био-
химический журнал» (организован по инициативе академика А. В. Палладина).
Кроме того, издаются журналы «Прикладная биохимия и микробиология», «Эво-
люционная биохимия и физиология», «Биоорганическая химия», «Молекулярная
биология». Значительное число биохимических статей экспериментального ха-
рактера публикуется также в журналах «Доклады Академии наук СССР», и «Фи-
зиология растений».
Обзоры по различным вопросам биохимии помещаются в журнале «Успехи
современной биологии». Издается значительное число сборников и монографий,
посвященных отдельным разделам общей биохимии, биохимии растений и техни-
ческой биохимии. В реферативном журнале «Биологическая химия», издаваемом
Академией наук СССР, приводятся сведения о биохимической литературе,
публикуемой во всем мире.
В ряде важнейших разделов биохимии работы советских ученых широко
известны. Этому способствуют прежде всего те исключительно благоприятные
условия, которые созданы для развития науки в нашей стране. В известном об-
ращении к молодежи И. П. Павлов писал: «Наша родина открывает большие про-
сторы перед учеными, и нужно отдать должное — науку щедро вводят в жизнь
в нашей стране. До последней степени щедро. Что же говорить о положении
молодого ученого у нас? Здесь, ведь, ясно и так. Ему многое дается, но с него
много и спросится. И для молодежи, как и для нас, вопрос чести —оправдать
те большие упования, которые возлагает на науку наша родина»1.
1 Павлов И. П. Поли. собр. соч. М., 1951, т. 1, с. 23.
19
ЛИТЕРАТУРА
Боннер Д. и Варнер Д. Биохимия растений: Пер. с англ./Под ред. В. Л. Кретовича.
М., 1968.
Дэвис Д,, Джиованелли Д. и Рис Т. Биохимия растений:Пер. с англ. /Под ред. В. Л. Кре-
товича. М., 1966.
Крепгович В. Л, Проблемы биохимии в пищевой промышленности. — Журнал Все-
союзн. химич. об-ва им. Менделеева, 1965, т. X, № 3.
Ленинджер А. Биохимия. М., 1972.
Мецлер Д. Биохимия. М., 1980.
Опарин А. И. Жизнь. Ее природа, происхождение и развитие. М., 1968.
Сисакян Н. М., Кретович В. Л. и Гельман Н. С. Развитие биохимии растений в СССР.—
В сб.: Биологические науки к 50-летию Великой Октябрьской социалистической револю-
ции. М., 1967.
Annual Review of Biochemistry, vol. 1—48. Stanford, 1932—1979.
Annual Review of Plant Physiology, vol. 1—30. Stanford, 1950—1979.
Goodwin T. W. a. Mercer E. I. Introduction to Plant Biochemistry. Pergamon Press,
Oxford, 1972.
Hall I. L., Flowers T. I. a. Roberts R. M. Plant Cell Structure and Metabolism. Longman,
London, 1974.
Karrer W. Konstitution und Vorkommen der organischen Pflanzenstoffe (exklusive Alka-
loide). Birkhauser Verlag, Basel, 1958.
Plant Biochemistry. Edited by J. Bonner a. J. E. Varner. Third Edition, Academic Press,
New York, 1976.
Pridham J. В , a. Swain T. Editors. Biosynthetic Pathways in Higher Plants. Academic
Press, New York, 1965.
Reinbothe H. Einfiihrung in die Biochemie. VEB Gustav Fischer Verlag, Jena,
1975.
Robinson T. The Organic Constituents of Higher Plants. Burgess Publ., C°., Minneapolis,
1964.
Steward F. C. Vistas in Plant Physiology: Problems of Organization, Growth and Morpho-
genesis. «Canad. J. Bot.», 39, 441, 1961.
Глава I
БЕЛКОВЫЕ ВЕЩЕСТВА
«Белок — самое неустойчивое из всех извест-
ных нам соединений углерода. Он распадается,
лишь только он теряет способность выполнять
свойственные ему функции, которые мы назы-
ваем жизнью, и в его природе заключается то,
что эта неспособность, раньше или позже,
наступает».
Ф. Энгельс
ОБЩИЕ СВОЙСТВА БЕЛКОВ
В растениях белковые вещества содержатся обычно в меньшем количестве,
чем углеводы, но играют в них огромную роль, поскольку белки составляют основ-
ную массу протоплазмы. Все ферменты являются белками. Белок имеет большое
значение в питании человека и животных.
Белковые вещества по своему элементарному составу отличаются от угле-
водов: кроме углерода, водорода и кислорода они всегда содержат азот и почти
всегда серу; некоторые из них содержат также фосфор. Элементарный состав
белковых веществ колеблется незначительно. Приводим для примера элементар-
ный состав белков пшеничного зерна (%):
Углерод............................51,0—53,0
Азот................................16,8—18,4
Водород ............................... 6,9
Кислород............................21,7—23,0
Сера ...............................0,7—1,3
У растений, произрастающих на почвах, богатых селеном, последний может
заменять в белках серу. Такие белки, содержащие вместо серы селен, найдены
в пшенице и в некоторых видах астрагала.
Особенно большое количество белка содержится в некоторых семенах, осо-
бенно бобовых и масличных культур, например гороха, фасоли, подсолнечника.
Из этих семян сравнительно легко можно получить препараты белков для изу-
чения их химического состава и строения. Получение препаратов белковых ве-
ществ из вегетативных органов растений затруднительно, так как в них белки
прочно связаны с углеводами и другими веществами, что затрудняет получение
белков и их очистку. Получение препаратов белков основано на том, что они
растворяются в воде, солевых растворах, водно-спиртовых растворах или в слабо-
щелочных растворах. В зависимости от того, с помощью какого растворителя
был экстрагирован белок из данного растительного материала (например, муки),
раствор подвергают дальнейшей обработке для выделения белка: кипятят, насы-
щают солями, диализируют, отгоняют спирт или же нейтрализуют кислотой.
21
Молекулярная масса белковых веществ может достигать нескольких милли-
онов. Многие белки получены в кристаллическом состоянии.
Для белков специфичны некоторые реакции, совокупность которых исполь-
зуется для их распознавания. Такова прежде всего способность белков сверты-
ваться при кипячении растворов и выпадать в виде сгустков, как это происходит,
например, при кипячении водных растворов яичного белка.
Чрезвычайно характерным свойством белков является осаждение их из
растворов под влиянием различных так называемых белковых осадителей: раст-
воров таннина, уксуснокислого свинца, вольфрамата натрия, гидрата окиси
меди, трихлоруксусной кислоты. Осадители широко применяются в лаборато-
риях для очистки от белка экстрактов, получаемых из растительного материала.
Кроме этих реакций для белков характерны реакции окрашивания, которые
обусловливаются наличием в белковой молекуле определенных химических груп-
пировок. Таковы, например, ксантопрстеиновая, биуретовая, миллонова реакция,
реакция Адамкевича.'
Ксантопрстеиновая реакция заключается в том, что при обработке белка
крепкой азотной кислотой появляется желтое окрашивание; эта реакция зави-
сит от наличия в молекуле белка группировок, содержащих бензольные кольца.
Миллонова реакция заключается в появлении вишнево-красного окраши-
вания белка при действии миллонова реактива —разбавленного водой раство-
ра металлической ртути в азотной кислоте. Миллонова реакция зависит от на-
личия в молекуле белка фенольных группировок.
Биуретовая реакция—появление фиолетового или красно-фиолетового
окрашивания при добавлении капли раствора медного купороса (CuSO4) к ще-
лочному раствору белка. Биуретовая реакция характерна для веществ, содер-
жащих группировку:
—C-N—
Реакция Адамкевича — появление фиолетового окрашивания при добав-
лении к раствору белка нескольких капель глиоксилевой кислоты и затем креп-
кой серной кислоты. Зависит от наличия в белковой молекулещндольных груп-
пировок. (Для реакции обычно употребляется крепкая уксусная кислота, со-
держащая следы глиоксилевой кислоты.)
ХИМИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ БЕЛКОВ
При кипячении с крепкими кислотами, щелочами, а также под действие^
ферментов белковые вещества распадаются на более простые соединения, образуя
в конце концов смесь а-аминокислот. Подобное расщепление белка носит назва-
ние гидролиз.
Большая часть а-аминокислот представляет собой производные жирных
кислот, в которых у а-углеродного атома один атом водорода замещен аминной
группой —NH2. Таким образом, общая формула а-аминокислст следующая:
R—СН2—СООН R—СН—СООН
I
(a) NH2
Жирная кислота Аминокислота
Аминокислоты, построенные подобным образом и принадлежащие к группе
моноаминомонокарбоновых кислот, содержат как кислотную карбоксильную
группу, так и щелочную аминную. В водных растворах карбоксильная группа
отщепляет ионы водорода, и аминокислота функционирует как кислота:
22
R-CH—cooH
I
nh2
Одновременно в водном растворе основные группы аминокислот являются
источником гидроксильных ионов:
R—СН—СООН R—СН-СООН
I I
H2N • Н2О NH3 . :ОН ;
Таким образом, поскольку аминокислоты являются одновременно кисло-
тами и основаниями, они относятся к группе амфотерных электролитов и играют
важную роль в качестве буферных веществ, поддерживающих в организме опре-
деленную концентрацию водородных ионов.
Моноаминомонокарбоновые аминокислоты представляют собой биполяр-
ные ионы (амфионы): NH3—R—COO.
Обычно константы диссоциации карбоксильных групп не равны константам
диссоциации основных групп; у многих аминокислот величины первых обычно
больше вторых.
В соответствии со своей амфотерной природой аминокислоты могут в зави-
симости от состава раствора образовывать различные соли, реагируя как с ки-
слотами, так и с основаниями:
R—СН-СООН R—СН—СООН R—CH—COONa
| соответственно | |
NH2...HC1 H3N-C1 nh2
Солянокислая соль Натриевая соль
Необходимо подчеркнуть, что белки, состоящие из остатков а-аминокислот,
содержат определенное количество свободных аминных и карбоксильных групп
и потому, подобно аминокислотам, также являются амфотерными электролитами.
В настоящее время описано более 200 аминокислот, найденных в природе.
Однако только лишь 20 аминокислот являются составными частями белков.
Нужно отметить, что растения и микроорганизмы отличаются чрезвычайным
разнообразием аминокислот, не входящих в состав белков, но содержащихся
в клетках и тканях в свободном виде.
Общие свойства'* аминокислот
Благодаря наличию аминной группы аминокислоты реагируют с азотистой
кислотой, образуя при этом соответствующую оксикислоту и газообразный азот:
4 NH2 • ОН
I I
R—СН—СООН + HNO2 —> R—СН—СООН + N2 4- Н2О
Эта реакция лежит в основе количественного метода определения аминокислот
по Д. Ван-Сляйку. Весьма важной является также реакция взаимодействия амин-
ной группы с формальдегидом. Эта реакция идет, по-видимому, следующим
образом:
NH2 n=ch2
I I
R—CH—СООН 4- HCHO —> R—CH—COOH
или
N-CH2OH N(CH2OH)2
H + HCHO —»
R—CH—COOH R-CH-COOH
23
Вследствие происходящего при этом связывания аминной группы она теряет
свои основные свойства, а карбоксильная группа, наоборот, в полной мере прояв-
ляет свои кислотные свойства и может быть оттитрована щелочью. На этой реак-
ции основан метод формольного титрования, применяемый для количественного
определения аминокислот по С. П. Сёренсену.
Карбоксильная группа аминокислот может реагировать со спиртами, обра-
зуя сложные эфиры. Так, например, с этиловым спиртом реакция идет следующим
образом:
NH2 nh2
R—СН—COOH 4- HOC2H5 -» R—CH—COOC2H5 + H2O ’
Эта реакция применяется для разделения и определения аминокислот путем
фракционированной перегонки их эфиров в вакууме.
Все а-аминокислоты реагируют с нингидрином (трикетогидринденгидратом),
причем характер образующихся продуктов реакции зависит от pH.
Почти все а-аминокислоты, реагируя с нингидрином при pH ниже 5, образуют аммиак,
углекислый газ и соответствующий альдегид.
При pH выше 5 реакция протекает с образованием окрашенного в синий цвет соеди-
нения, углекислого газа и соответствующего аминокислоте альдегида.
Пролин и оксипролин реагируют с нингидрином с образованием желтой окраски.
Окрашенный продукт реакции представляет собой соединение одной молекулы аминокислоты
и двух молекул нингидрина; при реакции, кроме того, образуются углекислый газ и вода.
Реакция с нингидрином применяется для идентификации и количественного определе-
ния свободных аминокислот по выделившемуся углекислому газу или же по интенсивности
образующейся с нингидрином окраски. Так, например, количественное определение амино-
кислот в аппаратах, называемых автоматическими анализаторами аминокислот, произво-
дится путем измерения окраски, возникающей при взаимодействии той или иной амино-
кислоты с нингидрином.
Аминокислоты могут вступать в реакцию также с другими соединениями, содержащими
карбонильную группу =С=О, например с различными альдегидами и восстанавливающими
сахар ами.
В результате этой реакции происходит разложение как исходной аминокислоты, так
и реагирующего с ней восстанавливающего сахара. При этом из аминокислоты образуются
соответствующий альдегид, аммиак и углекислый газ, а из сахара — фурфурол или окси-
метилфурфурол. Так, например, при реакции лейцина с ксилозой образуются
СН—СН2—С—Н, аммиак, СО2 и фурфурол.
сн/
Изовалериановый
альдегид
Альдегиды, образующиеся в результате взаимодействия аминокислот с восстанавли-
вающими сахарами, обладают определенным запахом, от которого в значительной степени
зависит аромат многих пищевых продуктов. С другой стороны, фурфурол и оксиметилфурфу-
рол, которые образуются в результате разложения сахара, легко вступают в соединение
с аминокислотами, давая темноокрашенные продукты, называемые меланоидинами. Обра-
зование меланоидинов является причиной потемнения многих пищевых продуктов во время
Их изготовления, сушки и хранения.
Особенно интенсивно реакция между аминокислотами и восстанавливающими сахара-
ми происходит при повышенных температурах, имеющих место во время сушки различных
пищевых продуктов: овощей, фруктов, молока, солода, во время выпечки хлеба и изготов-
ления кондитерских изделий, во время упаривания сахарных растворов, при ферментации
табака, «томлении» красного ржаного солода и самосогревании зерна, при обработке вина
теплом. Установлено, что реакция образования меланоидинов может происходить также при
взаимодействии восстанавливающих сахаров с белками.
Все аминокислоты, за исключением гликокола, оптически активны и содер-
жат один (или более) асимметрический атом углерода. Так, простейшая оптиче-
ски активная аминокислота —а-аланин — существует в двух оптически активных
формах: правовращающей, обозначаемой знаком (+), и левовращающей, обо-
24
Л- Аланин
Рис. 1. Строение молекул D- и L-аланина
L- А ланин
значаемой знаком (—). Одна из них, а именно встречающаяся в природе форма,
в водных растворах вращает плоскость поляризации вправо. Эта форма аланина
принадлежит к L-ряду, так как имеет строение, сходное со строением L(+)-
молочной кислоты. Редко встречающаяся в природе левовращающая форма ала-
нина принадлежит к D-ряду. Обе эти формы аланина обозначаются как L(+)-
аланин и D(—)-аланин:
СООН СООН
nh2—i—н н—с—nh2
I I
СН, СН,
L (+)-Аланин D (—)-Аланин
Модели молекул L- и D-аланина изображены на рис. 1.
Как известно, за исходное вещество, со строением которого принято сравни-
вать строение аминокислот, условно принимают L- и D-молочную кислоту, ко-
торая в свою очередь может быть сопоставлена с L- и D-формами глицеринового
альдегида, принятого за единицу сравнения, когда речь идет об оптической изо-
мерии (подробнее см. с. 152).
Таким образом, заглавные1 латинские буквы D и L обозначают принадлеж-
ность данной формы аминокислоты к D- или L-ряду, т. е. относятся к абсолют-
ной конфигурации, а знаки (+) и (—) показывают знак оптической активности.
Все так называемые «натуральные» аминокислоты, входящие в состав белка,
представляют собой L-формы; D-формы встречаются в природе сравнительно
редко.
Так, например, D-фенилаланин входит в состав советского грамицидина —
антибиотика, выделяемого бактерией Bacillus brevis (см. с. 343). D-Пролин яв-
ляется составной частью алкалоидов спорыньи (см. с. 327), а D-глютаминовая
кислота, D-аспарагиновая кислота, D-аланин и D-фенилаланин обнаружены в
бациллах сибирской язвы, в картофельной палочке (Bacillus mesentericus) и в дру-
гих микроорганизмах. Рацемические DL-формы получаются при химических син-
тезах аминокислот.
Ранее для обозначения оптической изомерии аминокислот пользовались бук-
вами d или 1, причем буква соответствовала знаку удельного вращения водного
1 По техническим причинам заглавные латинские буквы D и L в книге даны большего
размера, более правильно их следовало дать как d- и ь.
25
раствора аминокислоты. Однако уже на
примере оптических изомеров аланина
очевидно, что принадлежность аминокис-
лоты к D- или L-ряду может не соответ-
ствовать знаку оптической активности.
Кроме того, оптическая активность амино-
кислот весьма сильно зависит от ряда фак-
торов: природы растворителя, реакции сре-
ды, присутствия в растворе солей. Так,
например, L-гистидин в водном растворе
обнаруживает удельное вращение [cUd =
= —39,3°, а в солянокислом растворе
[а]2° = +11,1о.
Таким образом, правильным является
обозначение, приведенное выше для ала-
нина, указывающее принадлежность ами-
нокислоты к L- или D-ряду и знак опти-
ческой активности. Следует отметить, что
Луи Пастер знак оптической активности можно не
(1822—1895) указывать.
Многочисленными исследованиями ус-
тановлено, что растительные и животные
организмы по-разному относятся к L- и D-формам аминокислст. Показано,
что плесневый гриб Pemcillium glaucum использует L-формы глютаминовой кис-
лоты и лейцина и оставляет нетронутыми D-формы этих аминокислот. Аналогич-
ные различия в использовании оптических изомеров аминокислот установле-
ны для дрожжей. Ярким примером различного физиологического действия
оптических изомеров является действие D- и L-аспарагина на организм че-
ловека; природный L-аспарагин безвкусен, D-изомер обладает сладким
вкусом.
Различия в физиологическом действии оптических изомеров аминокислот,
а также других биологически важных соединений, несомненно, связаны с важ-
нейшими свойствами живого вещества.
В классических исследованиях, посвященных этой проблеме, Луи Пастёр
подчеркивал, что только живое вещество состоит из оптически деятельных орга-
нических соединений и синтезирует такие соединения. Это свойство живого ве-
щества неразрывно связано с асимметрическим строением белка и образующих
его аминокислот. Поэтому асимметрия аминокислот и белков и ее изменения, про-
исходящие во время развития организмов при различных условиях внешней
среды, являются одной из важнейших и интереснейших проблем биохимии.
Отдельные аминокислоты
Рассмотрим свойства и строение аминокислот. Все они в чистом виде — бес-
цветные кристаллические вещества, большинство из которых растворимо в воде.
Тирозин, норвалин и лейцин плохо растворимы в воде, а цистин практически
нерастворим. Многие из них дают характерные соли, служащие для идентифи-
кации отдельных аминокислот.
Моноаминомонокарбоновые аминокислоты. Гликокол, или глицин (амино-
уксус н а я кислота):
Н—СН—СООН
I
nh2
26
Глико кол не содержит асимметрического углеродного атома и поэтому в раст-
ворах оптически недеятелен. Обладает сладким вкусом.
L-Аланин (а-аминопропионовая кислота):
3 а
сн3—сн—соон
I
nh2
L-Аланин чрезвычайно распространен в природе и является весьма важной
аминокислотой, играющей большую роль в обмене веществ у растений и живот-
ных. Наряду с а-аланином в природе найден также Р-аланин, у которого амин-
ная группа расположена в P-положении по отношению к карбоксилу.
В присутствии аспарагина или аспарагиновой кислоты а-аланин стимули-
рует рост дрожжей. P-Аланин входит в состав витамина, называемого пантотенсн
вой кислотой, и некоторых пептидов, содержащихся в свободном виде в мышеч-
ной ткани.
L-Валин (а-аминоизовалериановая кислота):
Н3Сч
,сн—СН—СООН
Н3С
nh2
Содержится обычно в белках в небольшом количестве.
Валин — «обязательная», или «незаменимая», аминокислота, которая не
синтезируется в организме человека и животных и должна поступать в организм
в готовом виде с пищей.
L-Лейцин (а-аминоизокапроновая кислота):
нс NH2
нзЧ |
ХСН—СН2—СН—СООН
Нзс/? «
Очень плохо растворим в холодной воде, легко из нее кристаллизуется в виде
характерных перламутровых пластинок и листочков. Встречается во всех белках
в довольно значительном количестве. Содержится в заметных количествах в про-
росшем зерне; источник образования сивушных масел при спиртовом брожении.
Принадлежит к числу «обязательных» аминокислот.
L-Изолейцин (а-амино-|3-этил-|3-метилпропионовая кислота):
гы NH*
ХСН—СН-СООН
СН3/Р а
В белках содержится в незначительных количествах. Как и лейцин, при-
надлежит к числу «обязательных» аминокислот; источник образования сивушных
масел при брожении.
L-Норлейцин (а-амино-н-капроновая кислота):
СН3—(СН2)3—СН—СООН
nh2
Норлейцин найден в гидролизатах животных белков.
L-Серин (а-амино-0-оксипропионовая кислота):
он nh2
I I
сн2—сн—соон
В а
27
Принадлежит к группе оксиаминокислот. В некоторых белках (казеин мо-
лока, вителлин яичного желтка) серин содержится в виде сложного эфира —
серинфосфорной кислоты; последняя играет важную роль в обмене веществ мо-
лодого, растущего животного организма:
ОН
I
О—Р=О
I
он
СН2—СН—СООН
nh2
Серинфосфорная кислота
В некоторых растениях, как, например, в горохе, в свободном виде содер-
жится L-гомосерин (а-амино-у-оксимасляная кислота):
СН2—СН2—СН—СООН
I I
он nh2
L-Треонин (а-амино-0-оксимасляная кислота):
₽ а
СН3—СН—СН—СООН
I I
он nh2
Так же, как серин и гомосерин, треонин принадлежит к группе оксиамино-
кислот. Треонин —«незаменимая» аминокислота.
Ъ-Цистеин (а-амино-|3-тиопропионовая кислота):
СН2—СН—СООН
. I I
SH nh2
Цистеин играет большую роль в обмене веществ в качестве источника серы
и как восстанавливающий агент. Восстанавливающие свойства цистеина зави-
сят от группы — SH, называемой сульфгидрильной группой. Цистеин в жи-
вой клетке очень легко превращается в диаминодитиодикарбоновую кислоту —
цистин. С той же легкостью происходит обратный переход. Превращения эти
происходят следующим образом:
,nh2 znh2
HS—СН2-СН< S—СН2—сн<
\COOH — 2Н+ Х200Н
HS—СН2—СН< S—сн2
\соон
nh2 +2Н znh2
-сн<
\соон
2 молекулы цистеина Цистин
Группа —S—S—, содержащаяся в цистине, носит название дисульфидной
группы. Из приведенного выше уравнения ясно, что взаимное превращение цис-
тина и цистеина представляет собой окислительно-восстановительную реак-
цию. Цистин в особенно большом количестве содержится в белках волос, рогов
и копыт.
В капусте, турнепсе, цветной капусте и в некоторых других растениях из
семейства крестоцветных найдено в свободном виде производное цистеина S-
метил-Ъ-цистеин, строение которого таково:
сн2—chnh2—СООН
S—сн3
28
L-Метионин- (а-амино-у-метилтиол-я-масляная кислота):
Н3С—S—СН2—СН2—СН—СООН
nh2
Играет в организме весьма важную роль в качестве источника (донора) ме-
тильных групп. Метионин является «обязательной» аминокислотой.
L-Цистатионин:
СН2—СН2-----S------СН2
nh2—сн—соон nh2—(*:н—соон
Выделен из мицелия плесневого гриба Neurospora\ входит в состав некоторых анти-
биотиков. Цистатионин — промежуточный продукт при биосинтезе метионина.
V-Фенилаланин (а-амино-р-фенилпропионовая кислота). От наличия фенил-
аланина в белковой молекуле зависит ксантопротеиновая реакция:
СН NH2
НС^\.С-СН2-СН
HC^JjCH \соон
сн
Фенилаланин —«обязательная» аминокислота.
L-Тирозин (а-амино-р-оксифенилпропионовая кислота). Так же, как
лейцин и глютаминовая кислота, тирозин —одна из наиболее распространенных
в природе аминокислот. От наличия тирозина в белках зависит миллонова ре-
акция. Поскольку тирозин представляет собой оксифенилаланин, он также дает
ксантопротеиновую реакцию. Очень плохо растворяется в воде:
NH2
с—сн2—сн
НС|^\сН \соон
hcI^Jch
с
I
он
Тирозин легко подвергается окислению под действием фермента тирозиназы
и дает при этом темноокрашенные вещества (меланины).
Моноаминодикарбоновые аминокислоты. Аспарагиновая кислота (амино-
янтарная):
НООС—СН2—СН—СООН
I
nh2
Так как в молекуле аспарагиновой кислоты содержится одна аминная и две
карбоксильные группы, то в водных растворах она дает кислую реакцию. В воде
растворяется плохо. Содержится в больших количестах во всех растительных
белках и играет важную роль в обмене веществ у растений и животных. Накап-
ливается в больших количествах в этиолированных (выросших в темноте) ростках
бобовых растений в виде своего моноамида —аспарагина:
H2NOC-CH2—СН—СООН
I
nh2
29
L-Глютаминовая кислота (а-аминоглютаровая):
1 ₽ «
ноос-сн2—сн2—сн-соон
I
nh2
Содержится в белках растений и дрожжей в очень больших количествах. Как
и аспарагиновая кислота, дает кислую реакцию в водных растворах и играет
важнейшую роль в обмене веществ. В Японии и США производят значительные
количества мононатриевой соли глютаминовой кислоты, используемой как вку-
совая приправа, обладающая вкусом и запахом куриного бульона. Глютаминовая
кислота в заметных количествах содержится в проростках некоторых растений
и в корне сахарной свеклы в виде своего моноамида —глютамина'.
H2NOC—СН,—СН2—СН—СООН
I
nh2
Аспарагин и глютамин, являясь антикристаллизаторами в сахарном производстве,
понижают выход сахара.
В растениях в свободном виде найдено оксипроизводное глютаминовой кислоты —
у -оксиглютаминовая кислота.
В молодых растениях земляного ореха (Arachis hypogaea) и в плодах красного перца
найдены у -мет и лен глютаминовая кислота НООС—CHNH2—СН2—С(=СН2)—СООН и соот-
ветствующий ей амид —у -метилен глютамин НООС—CHNH2—СН2—С(=СН2)—CONH2
L-a-Аминоадипиновая кислота: НООС—СН2—СН2—СН2—CHNH2—СООН.
Эта аминокислота входит в состав водорастворимого белка зерна кукурузы.
Диаминомонокарбоновые аминокислоты. Аргинин (а-амино-6-гуанидил-к-
валериановая кислота):
NH2
I
C=NH NH2
I I
HN—CH2—CH2—CH2—CH—СООН
& 1 ₽ «
Наличие аминной и гуанидиновой групп определяет характер аргинина как
основания; вместе с лизином и гистидином (см. далее) он принадлежит к группе
основных аминокислот. Вследствие того, что эти три аминокислоты содержат в
своих молекулах по шесть углеродных атомов, их называют также гексоновыми
основаниями. Аргинин содержится в очень большом количестве в некоторых бел-
ках животного происхождения (белки рыбьих молок) и накапливается
в прорастающих семенах хвойных растений. Он играет чрезвычайно большую
роль в белковом обмене, являясь важным промежуточным продуктом при син-
тезе мочевины. Под действием фермента аргиназы L-аргинин распадается на моче-
вину:
/NH2
С=О
\nh2
и аминокислоту L-орнитин: H2N—СН2—СН2—СН2—CHNH2—СООН
У ряда растений (Corydalis ochotensis, папоротник Asplenium nidus, некоторые луговые
травы из семейства злаковых), найдено ацетильное производное орнитина — Ь^-ацетил-
орнитин (CH3CONH—СН2—СН2—СН2—CHNH2—СООН).
В животном и растительном организме найдена аминокислота — L-цитрул-
лин:
30
nh2
c=o nh2
I I
HN—CH2—CH2—CH2—CH—COOH
Цитруллин содержится в соке плодов арбуза (Citrullus), откуда он и получил
свое название, в корневых клубеньках ольхи и в пасоке некоторых деревьев
(береза и др.).
В семенах канавалии содержится аминокислота канаванин — оксигуанидиновое про-
изводное аргинина:
NH2
I
C=NH NH2
NH—О—CH2— СН2—СН—СООН
Канаванин найден в семенах многих бобовых растений. Он, видимо, играет какую-то
важную роль в обмене прорастающих семян, так как при прорастании последних содержание
его резко падает.
к-Лизин-(а, е-диаминокапроновая кислота):
NH2 nh2
I I
CH2—CH2—СН2—СН2—СН—СООН
е В Ра
Лизин так же, как и аргинин, в водных растворах дает щелочную реакцию.
Содержится почти во всех белках. Особенно велико содержание его в белках
рыбьих молок.
Лизин —«обязательная» аминокислота.
Среди продуктов гидролиза желатины обнаружено оксипроизводное лизина — окси-
лизин:
NH2 NH,
, I I
1 CH2—СНОН—CH2—CH2—CH—СООН
Диаминодикарбоновые аминокислоты. К подобным аминокислотам отно-
сится L- а-, г-диаминопимелиновая кислота:
НООС—chnh2—сн2—сн2—сн2—chnh2—СООН
е В 7 р а
Эта аминокислота найдена в белках, входящих в состав дифтерийной бак-
терии, кишечной палочки (Escherichia coli) и ряда других микроорганизмов.
Гетероциклические аминокислоты. L-Пролин (пирролидин-а-карбоновая ки-
слота):
Н2С----СН2
Н2С СН—СООН
^NH
Особенно велико содержание пролина в белках семян. Производным L-npo-
лина является L-оксипролин, содержащийся в заметном количестве в желатине
и найденный в белках некоторых растений:
НОНС----СН2
Н2С СН—СООН
NH л
31
Во многих продуктах растительного происхождения в свободном виде най-
дена иминокислота, называемая L-пипеколиновой кислотой (СвНпО2М):
СН2
н2с/\сн2
н2с^ !сн—соон
NH
Пипеколиновая кислота образуется в растениях из лизина.
Ь-Трип/по0аи(а-амино-р-индолилпропионовая кислота):
> СН
нсГ42—С—СН2—СН—СООН
1 II II I
нс с сн nh2
\/\/
СН NH
От наличия триптофана в белках зависит реакция Адамкевича. Он дает также ксанто-
протеиновую реакцию.
Триптофан не синтезируется в организме животных. Большое значение он
имеет в обмене веществ и тесно связан с образованием в организме витамина РР,
отсутствие витамина РР в пище приводит к заболеванию человека пеллагрой.
L-Гистидин (а-амино-р-имидазолилпропионовая кислота):
НС=С—СН2—CHNH2-COOH
I I
N NH
^сн
Гистидин принадлежит к группе основных аминокислот и в водных раство-
рах дает щелочную реакцию. Заметное количество гистидина содержится в белке
глобине, входящем в состав гемоглобина крови.
Кроме а- и р-аминокислот в природе найдены также у-аминокислоты, напри-
мер у - амино масляная кислота —CH2NH2—СН2—СН2—СООН. Эта аминокисло-
та обнаружена в свободном виде во всех растениях.
Для обозначения аминокислот и амидов, входящих в состав белков, приме-
няются трехбуквенные символы:
Аминокислота Символ Аминокислота Символ
Аланин Ala Лейцин Leu
Аргинин Arg Лизин Lys
Аспарагин Asn Метионин Met
Аспарагиновая кислота Asp Пролин Pro
Валин Vai Серин Ser
Г истидин His Тирозин Туг
Глицин Gly Треонин Thr
Глютамин Gin Триптофан Trp
Глютаминовая кислота Glu Фенилаланин Phe
Изолейцин He Цистеин Cys
Аминокислотный состав белков и строение белковой молекулы
Отдельные белки различаются между собой по аминокислотному составу,
т. е. по количеству образующихся из них при гидролизе аминокислот.
32
Для определения аминокислот в полученном гидролизате применяются мно-
гочисленные методы, описанные в специальных руководствах (см. литературу).
Важно отметить, что за последние годы при качественном и количественном
определении аминокислот особенно широко используется метод хроматогра-
фии (см. с. 252).
Данные об аминокислотном составе некоторых белков приведены в табл. 1.
Таблица 1
Аминокислотный состав белков, %
Аминокислота Белок •
эдестин конопли зеин кукурузы Р- лактогло- булин молока казеин молока глиадин пшеницы кукурбитин из семян тыквы
Гликокол 0 1,4 1,9 1,0 5,5
Аланин 4,3 9,8 7,4 3,5 2,5 5,7
Валин 5,7 1,9 5,8 7,2 3,0 5,6
Лейцин и изолейцин .... /4,7 (7,5 25,0 21,7 17,9 6,0 13,3
Фенилаланин 5,5 7,6 3,5 5,5 2,5 8,3
Пролин 4,3 9,0 4,1 Н,6 13,2 5,4
Оксипролин — 0,8 — 0,2 — —
Метионин 2,4 2,4 3,2 3,1 2,3 2,5
Цистин 0,9 0,9 2,3 0,3 2,3 0,8
Серин 6,3 1,0 5,0 5,9 0,1 5,7
Треонин 3,9 — 5,9 4,5 з,о 3,0
Тирозин 4,3 5,9 3,8 6,1 3,1 3,7
Т риптофан 1,5 0,2 1,9 1,2 0,9 —
Аспарагиновая кислота . . . 12,0 1,8 И,4 7,2 1,4 6,8
Глютаминовая кислота . . . 20,7 31,3 19,5 22,0 46,0 24,2
Аргинин 16,7 1,6 2,9 4,0 3,2 15,2
Гистидин 2,9 0,8 1,6 3,2 2,1 —
Лизин 2,4 0 Н,4 8 ,ч2 0,6 4,0
Из данных, приведенных в табл. 1, следует, что для некоторых белков,
как, например, для 0-лактоглобулина молока, сумма аминокислот превышает
100%. Расхождение массы суммы аминокислот с первоначальной массой белка
объясняется присоединением к гидролизуемому белку элементов воды, за счет
которой и получается величина, превышающая 100%. Из данных табл. 1 следует
также, что некоторые аминокислоты полностью отсутствуют в данном белке. Так,
зеин кукурузы совершенно не содержит лизина и гликокола, триптофана в нем
также практически нет. Это обстоятельство имеет существенное значение. Зеле-
ные растения могут синтезировать все аминокислоты. Некоторые аминокислоты
не синтезируются в организме животного и у человека. Мы уже указывали, что
такие аминокислоты получили название «обязательных» или «незаменимых».
В настоящее время установлено, что для человека незаменимыми являются
8 аминокислот: триптофан, фенилаланин, метионин, лизин, валин, треонин,
изолейцин и лейцин. Питание белком, не содержащим какой-либо из «незаме-
нимых» аминокислот, приводит к нарушениям обмена веществ’ и в конце концов
к заболеванию. Таким образом, отдельные белки могут быть неполноценными
по своему аминокислотному составу.
Однако необходимо исследовать аминокислотный состав не отдельных бел-
2-596 33
Александр Яковлевич Данилевский
(1838—1923)
ков, а всего их комплекса, содержащего-
ся в данном пищевом продукте. Только
при таком подходе могут быть получены
правильные данные об аминокислотном со-
ставе, а следовательно, и о пищевой цен-
ности продукта.
Каким же образом связаны между со-
бой отдельные аминокислоты в молекуле
белка?
Выдающийся ' русский биохимик
А. Я. Данилевский предположил, что со-
единение отдельных аминокислот в моле-
куле белка осуществляется при помощи
пептидной связи так, что аминная группа
одной аминокислоты соединяется с кар-
боксильной группой другой. Например, в
случае образования пептидной связи меж-
ду двумя молекулами аланина произой-
дет реакция:
НООС-СН—СН3
I......
HN-H + НО:ОС—СН—сн3
........ I
nh2
ноос—сн—сн3
I
HNOC-CH—СН3 + Н2о
NH2
Соединение, являющееся результатом взаимодействия двух молекул амино-
кислот (в данном случае аланина), носит название дипептида, а связь...
HN—СО.. — пептидной связи. Образовавшийся в данном случае дипептид на-
зывается аланилаланин. При этом в названии аминокислоту, карбоксил которой
участвует в образовании пептидной связи, буква н на конце слова изменяется на л.
Если дипептид будет образован из гликокола и аланина, то получится либо
глицилаланин:
CH2NH2-CONH
СН2—сн—соон
либо аланилглицин:
сн3-сн—cohn-ch2
I I
nh2 соон
Эти два дипептида различаются между собой по своим физическим и химиче-
ским свойствам. Свободная карбоксильная группа дипептида может далее со-
единиться с аминной группой еще одной молекулы какой-либо аминокислоты,
и в результате мы получим трипептид. Так, например, из глицилаланина и лейци-
на мы можем получить глицилаланиллейцин, а из аланилглицина и лейцина —
соответственно аланилглициллейцин. Совершенно ясно, однако, что из трех амино-
кислот мы можем получить не только эти, но и другие трипептиды. Действитель-
но, аминокислоты А, Б и В могут образовать следующие шесть трипептидов:
А —Б —В, А -^В —Б, Б —А —В, Б —В —А, В —А —Б, В —Б —А.
В случае соединения пептидными связями четырех остатков аминокислот
получается тетрапептид, пяти — пентапептид и т. д. Общее название всех таких
соединений — полипептиды.
34
Из четырех различных аминокислот мож-
но получить 24 различных тетрапептида, из
пяти —120 пентапептидов. Таким образом,
юсно, что природные аминокислоты, соединя-
юсь друг с другом пептидной связью, могут
:<5разовать огромное число изомеров.
Известно, что пептидная связь может подвер-
-зться енолизации, а следовательно, количество
з гзможных изомеров полипептидов может быть
7*~е большим.
В настоящее время синтезировано боль-
шое количество различных полипептидов.
Синтетические полипептиды расщепляются
♦ гидролизуются) на составляющие их амино-
кислоты ферментами пищеварительного трак-
та человека и животных. При осторожном
кислотном, щелочном или ферментативном
гидролизе белков можно получить ряд по-
липептидов.
Многие из полипептидов встречаются в
свободном виде в растениях, тканях живот-
ных и микроорганизмах и имеют большое
Фредерик Гопкинс
(1861—1947)
значение в качестве промежуточных продук-
тов обмена веществ и физиологически весьма активных соединений. Примером
может служить открытый выдающимся английским биохимиком Ф. Гопкин-
сом трипептид глютатион, состоящий из остатков гликокола, цистеина и
глютаминовой кислоты:
О
НООС—СН—СН2—СН2—С—NH—СН—С—NH—СН2—СООН
I II I
nh2 о СН2—SH
Глютатион содержится во всех живых клетках. Его содержание особенно
высоко в зародыше пшеничного зерна и дрожжах. Чрезвычайно важная роль
глютатиона в обмене веществ заключается в том, что он является сильным вос-
становителем и очень легко подвергается окислению, подобно цистеину. При
этом так же, как и в цистеине, окисляется сульфгидрильная группа —SH (отни-
мается водород) и две молекулы восстановленного SH-глютатиона соединяются
дисульфидной связью —S—S—, образуя молекулу окисленного —S—S—глюта-
тиона:
О
НООС—СН—СН2—СН2—С—NH—СН—с—nh-ch2-cooh
I II I
nh2 о сн2
S
I
сн2
НООС—СН—СН2—СН2—С—NH—СН—С—NH—СН2—СООН
I II . II
NH2 О О
2*
35
Взаимопревращения окисленной и восстановленной форм глютатиона ката-
лизируются в организме особым ферментом. Глютатион оказывает большое влия-
ние на активность многих ферментов, особенно тех, действие которых связано с
превращениями белков.
К числу полипептидов принадлежит ряд антибиотиков —образуемых микро-
организмами веществ, убивающих другие микроорганизмы или угнетающих их
рост: советский грамицидин, тироцидин, лихениформин (см. с. 343). Некоторые
из этих антибиотиков широко применяются в медицине для борьбы с болезне-
творными микробами.
Весьма интересно и важно то, что многие физиологически чрезвычайно активные поли-
пептиды являются циклопептидами, т. е. имеют циклическое строение. К таким циклопепти-
дам относятся антибиотики грамицидин, тироцидин и лихениформин, гормоны окситоцин
и вазопрессин, выделяемые мозговым придатком (гипофизом), и циклопептиды бледной по-
ганки. Как показал Т. Виланд, ядовитый гриб бледная поганка (Amanita phalloides) содержит
не менее 10 токсических циклопептидов. Молекулярная масса их около 1000; они содержат
атом серы, принадлежащий остатку цистеина, связанному с индольным ядром триптофана.
Ниже представлена структура особенно ядовитого циклопептида бледной поганки и-амани-
тина:
ОН
Н3С сн—СН2ОН
сн
При рассмотрении структуры а-аманитина видно, что сера цистеина, связываясь с остат-
ком триптофана, разделяет циклопептид на два кольца. Подобная бициклическая структура
свойственна всем циклопептидам бледной поганки.
В настоящее время доказано, что в состав белковых молекул входят поли-
пептидные цепи. Общепринятая теория строения белка, разработанная выдаю-
щимся немецким химиком Эмилем Фишером, получила название полипептидной
теории.
В молекулах белков пептидные связи —не единственные ковалентные
связи. В белковой молекуле имеются также дисульфидные связи —S—S—, со-
единяющие между собой отдельные пептидные цепи подобно тому, как они соеди-
няют две полипептидные цепочки в молекуле окисленного глютатиона. Дисульфид-
ные связи могут соединять между собой также различные участки одной и той же
полипептидной цепи.
Благодаря разработанным в настоящее время методам определения струк-
туры белков удалось полностью расшифровать строение полипептидных цепей
более 500 белков, в том числе многих ферментов: рибонуклеазы (см. с. 131),
лизоцима (см. ниже), химотрипсина (см. с. 140), а также белков, входящих в
состав цитохромов —важнейших катализаторов, принимающих участие в про-
цессе дыхания (см. с. 114). Полностью в настоящее время определена структура
полипептидной цепочки растительного фермента папаина (см. с. 142).
36
Рис. 2. Схема первичной структуры молекулы лизоцима из белка куриного яйца,
«дом цветом показаны дисульфидные связи. Цифры на рисунке обозначают номера аминокислотных остатков
На рис. 2 представлена структура полипептидной цепочки лизоцима (мура-
ялдазы) —фермента, содержащегося в яичном белке, слюне, некоторых микро-
гоганизмах и растениях. Лизоцим вызывает растворение ряда бактерий, расщеп-
ляя основное вещество их клеточ-
-сй стенки. Кристаллический ли-
ч.цим куриного яичного белка
<ыеет молекулярную массу 14 386
* состоит из остатков 129 аминокис-
лот, образующих одну полипеп-
^здную цепочку.
В молекуле этого лизоцима
концевой аминокислотой (содер-
жащей свободную аминогруппу)
является лизин, а С-концевой (со-
держащей свободную карбоксиль-
ную группу) —лейцин. Нумерацию
аминокислотных остатков начина-
ют с N-концевой аминокислоты
«рис. 2). Последовательность ами-
нокислотных остатков в полипеп-
тидной цепочке белка называют
первичной структурой белковой мо-
лекулы.
На рис. 2 показано, что моле-
кула лизоцима содержит четыре
дисульфидные связи, скрепляющие
между собой различные части по-
Рис. 3. Схема разрыва дисульфидных связей в
молекуле белка и их образования при окислении
белка
37
липептидной цепи, благодаря чему она как бы свертывается в клубок.
Если разрушить дисульфидные связи, то лизоцим теряет свою биологичес-
кую, в данном случае ферментативную, активность. Однако, если например, путем
продувания воздуха через раствор окислить образовавшиеся сульфгидрильные
группы, то в белке снова могут образоваться дисульфидные связи. На рис. 3
схематически показано, что первоначальная структура молекулы белка и его
ферментативная активность) могут восстановиться. Такое явление наблюдается,
например, при окислении воздухом раствора предварительно восстановленного
фермента рибонуклеазы. В некоторых случаях дисульфидные связи снова об-
разуются, но не в тех местах, где они были в нативном белке, и поэтому возникает
белок, не обладающий ферментативной активностью.
Таким образом, в молекуле белка кроме полипептидных связей имеется еще
один вид ковалентных связей, а именно дисульфидные связи* которые скрепля-
ют между собой либо отдельные полипептидные цепочки, либо «стягивают»
одну и ту же полипептидную цепочку. Известны, однако, белки, например белок
вируса табачной мозаики (см. с. 65), не содержащие дисульфидных связей.
Сульфгидрильные группы, содержащиеся в белках, имеют большое значение для
биологической активности многих ферментов.
Пептидные цепи и их отдельные участки могут соединяться между собой
также ионными (солевыми) и водородными связями, значительно более слабыми,
чем связи ковалентные, имеющиеся в молекуле белка, —пептидные и
дисульфидные.
Как известно, водородные связи —связи нековалентные. Если для того
чтобы разорвать обычную химическую (ковалентную) связь, нужно затратить
энергию от 20 до 2000 килокалорий, то для разрыва одной водородной связи в
водной среде нужно затратить всего лишь 1,5 ккал/Моль. Таким образом, йроч-
ность водородных связей значительно меньше прочности обычных ковалентных
связей.
Водородные связи возникают между ковалентно связанным водородным
атомом, имеющим некоторый положительный заряд, и отрицательно заряжен-
ным ковалентно связанным атомом —акцептором. Ниже приведены примеры
различных водородных связей (обозначены пунктиром), образующихся в белках:
Водородная связь между
пептидными группами
Водородная связь между
двумя гидроксильными группами
Водородная связь между заряженной
карбоксильной группой и гидроксиль-
ной группой тирозина
Н
I
—N+—Н ... О~
I \
н с—
Водородная связь между заря-
женной аминной группой и заря-
. женной карбоксильной группой
38
н
н V
I /\
—С—О—Н ... О=С R
I \
Н N-H
I
Водородная связь между гидроксильной
группой серина и пептидной группой
Биологически наиболее важные водородные связи образуются водородными
атомами, ковалентно связанными с кислородом или азотом. В образовании водо-
родных связей принимают участие и сульфгидрильные группы белков. Различ-
ные водородные связи отличаются друг от друга своей прочностью, которая
зависит от химической природы атома — акцептора и от направления водородной
связи.
Солевые или ионные связи образуются между основными и кислотными
группами белка. В качестве основных групп выступают свободные аминогруп-
пы — N-концевые аминогруппы полипептидных цепочек, е-аминогруппы остат-
ков лизина, а также гуанидиновые группы аргинина, имидазольные группы гис-
тидина.
Нужно отметить, что в молекуле гистидина остаток имидазола содержит
два атома азота, один из которых в водных растворах обладает кислотными свой-
ствами, а другой —основными, аналогично азоту пиридина. Такая двойствен-
ность химических функций имидазольной группировки проявляется в том, что
содержащиеся в белке остатки гистидина могут образовывать ионные связи как
с кислотными группами белка, так и с металлами; некоторые из них являются
обязательными компонентами многих ферментов. Кислотные группы, участвую-
щие в образовании ионных связей, представлены С-концевыми карбоксильными
группами полипептидных цепочек и свободными карбоксильными группами
остатков аспарагиновой и глютаминовой кислот.
Наиболее слабые из всех нековалентных (дополнительных ) связей в бел-
ках — гидрофобные взаи-
модействия. Этим терми-
ном обозначают взаимодей-
ствие и сближение непо-
лярных частей полипеп-
тидных цепочек, сопровож-
дающееся ослаблением их
взаимодействия с окружа-
ющей водой.
На рис. 4 показано,
что гидрофобное взаимо-
действие возникает благо-
даря сближению двух не-
полярных групп до тех
пор, пока они не соприкос-
нутся, причем это сближе-
ние сопровождается умень-
шением числа окружаю-
щих их молекул воды —
молекулы воды как бы вы-
талкиваются из той сферы,
в которой возникает гид-
рофобное взаимодействие.
С N
Рис. 4. Схема гидрофобного взаимодействия между двумя
неполярными группами аланина и лейцина (изображены
темным цветом); молекулы воды изображены в виде свет-
лых кружков
39
Рис. 5. Схема a-структуры полипептидной цепочки
Способностью к гидрофобным взаимодействиям обладают остатки валина, лей-
цина, изолейцина, фенилаланина, а также, возможно, пролина, аланина, трип-
тофана, метионина и цистина.
Гидрофобные взаимодействия, как и другие нековалентные связи, играют
важную роль в создании и стабилизации структуры, являющейся специфиче-
ской для каждого белка. Единичные гидрофобные взаимодействия, слабые каж-
дое в отдельности, благодаря кооперативности многих таких взаимодействий об-
разуют очень прочные ассоциации, стабилизирующие структуру белковой мо-
лекулы.
Впервые значение гидрофобных участков полипептидной цепи в формиро-
вании конфигурации молекулы белка показали Д. Л. Талмуд и С. Е. Бреслер.
В длинной полипептидной цепи между отдельными ее частями возникают водо-
родные связи, в результате полипептидная цепочка как бы закручивается по спи-
рали. Таким образом возникает спиралевидная структура белковой молекулы,
которая носит название а-структуры белковой молекулы. Наличие а-структуры
в молекулах белков было установлено известным американским химиком Л. По-
лингом и его сотрудником Р. Кори главным образом на основе данных рентгено-
структурного анализа. Спиралевидная a-структура полипептидной цепочки схе-
матически представлена на рис. 5, где показано, что один полный виток спирали
40
з>лючает 3,6 аминокислотных остатка, а «шаг» спирали, соответствующий од-
кыу аминокислотному остатку, имеет в длину 1,5 ангстрема.
Для определения степени спирализации белковых молекул пользуются
различными методами, например определением удельного вращения плоскости
тсляризованного света. Оказалось, что чем больше степень спирализации бел-
vtsoh молекулы, тем сильнее изменяется удельное вращение растворов белка.
Особенно широко применяется измерение дисперсии оптического вращения
е. измерение удельного враще-
з-я при различных длинах волн)
з приборе, называемом спектропо-
ляриметром. Почти все белки, как
,’згкорастворимые, так и трудно-
тзстворимые, и почти все фермен-
обладают a-структурой. Одна-
* о не все белки заспирализованы
-з всем протяжении своих полипе-
-тидных цепей. К числу таких бел-
«:з, у которых полипептидная
«епочка заспирализована лишь
частично, относятся, например,
герменты рибонуклеаза и лизоцим
мурамидаза). Так, по данным рент-
еноструктурного анализа, в мо-
лекуле лизоцима из куриного яйца
42% полипептидной цепочки заспи-
гализовано в виде а-структуры.
2лирализованные участки молеку-
лы лизоцима показаны на рис. 6.
В молекуле лизоцима из 129
аминокислотных остатков 55 обра-
зуют спиральные участки полипе-
птид ной цепи.
Кроме a-структуры в белках
имеется также так называемая 0-
структура. Она образуется благо-
даря водородным связям, соеди-
няющим расположенные рядом
полипептидные цепочки. В резуль-
тате возникает складчатая струк-
тура (рис. 7). На рис. 7 показана
схема трех параллельно располо-
женных полипептидных цепочек,
соединенных между собой водород-
ными связями и образующих струк-
туру, в которой группы R располо-
жены над и под плоскостью «склад-
чатого листа».
а- и 0-Структуры образуют
вторичную структуру белковой
молекулы.
Возникает вопрос о том, а не
может ли в той или иной степени
заспирализованная полипептидная
цепочка, в свою очередь, по-раз-
70
Рис. 6. Вторичная и третичная структура мо-
лекулы лизоцима из белка куриного яйца.
Из 129 аминокислотных остатков 55 образуют спиральные
участки полипептидной цепи; на рисунке они обозначены
утолщенными заштрихованными линиями. Дисульфидные
мостики в молекуле обозначены черными прямоугольниками.
Цифры — номера аминокислотных остатков в полипептидной
цепи лизоцима
Рис. 7. 0-Структура полипептидных цепей
41
ному располагаться в пространстве. Полипептидную цепочку, которая в боль-
шей или меньшей степени имеет спиралевидную структуру, можно по-разному
упаковать в каком-то определенном объеме. Способ ее укладки в пространстве
получил название третичной структуры белка. С помощью рентгеноструктур-
ного анализа в настоящее время установлена третичная структура ряда белков.
На рис. 6 представлена фотография модели структуры молекулы лизоцима, по-
строенной на основе данных рентгеноструктурного анализа.
Биологические свойства белков, в частности ферментативные, зависят в пер-
вую очередь от первичной структуры, т. е. аминокислотного состава и взаимо-
расположения аминокислотных остатков, а также от вторичной структуры белка.
Наконец, третичная структура белка также оказывает чрезвычайно большое
влияние на действие фермента, на проявление его каталитической активности.
В последние годы выдвинуто представление о наличии четвертичной струк-
туры белковой молекулы. Молекулы многих белков состоят из нескольких поли-
пептидных цепочек, соединенных между собой нековалентными связями — водо-
родными, ионными (солевыми) или гидрофобными. Таким образом, каждая моле-
кула такого белка состоит из нескольких субъединиц, которые, соединяясь меж-
ду собой, образуют четвертичную структуру белковой молекулы.
Классическим примером подобного белка, обладающего четвертичной струк-
турной, является гемоглобин; его молекулярная масса 64 500 и молекула состоит
из четырех полипептидных цепочек, причем одна пара (a-цепи) имеет первичную
структуру, отличную от другой пары (0-цепи). Каждая полипептидная цепь свя-
зана с атомом железа, заключенным в центре группы атомов, образующих пиг-
мент, называемый гемом, который придает крови свойственный ей красный цвет
и определяет способность гемоглобина связывать кислород.
Белки, обладающие четвертичной структурой, называют олигомерами (ди-
мерами, тетрамерами и т. д.).
Молекулы белков, обладающих четвертичной структурой, при определен-
ных условиях могут диссоциировать в растворе на субъединицы, которые при
других условиях могут обратимо ассоциировать, образуя первоначальную моле-
кулу. В принципе подобная обратимая диссоциация может происходить тремя
способами:
1) белковая молекула полипептидных цепочек;
2) белковая молекулам а субъединиц^* х-а полипептидных цепочек;
3) белковая молекулам а субъединиц 4- b полипептидных цепочек и далее
а субъединица х-а полипептидных цепочек.
Таким образом, субъединицы белка-олигомера могут, в свою очередь, со-
стоять из нескольких полипептидных цепочек, называемых протомерами (или
мономерами). Четвертичную структуру имеют многие ферменты, и это имеет
большое значение для регулирования их действия в клетке.
Следовательно, белки состоят из аминокислотных остатков, связанных
между собой пептидными связями и образующих полипептидные цепочки, ко-
торые благодаря дисульфидным, водородным и ионным связям, а также гидро-
фобным взаимодействиям располагаются в пространстве совершенно определен-
ным образом, т. е. имеют при данных условиях определенную конформацию.
Нативная конформация, возникающая при нормальных физиологических усло-
виях, обеспечивается ковалентными и дополнительными связями, придающими
структуре белковой молекулы определённую жесткость, компактность и упоря-
доченность.
Изменение нативной конформации белковой молекулы, не сопровождающее-
ся разрывом ковалентных связей, называют денатурацией. В общем представ-
лении денатурация заключается в развертывании определенным образом уло-
женной в пространстве полипептидной цепочки и образовании беспорядочного
клубка (рис. 8).
42
A
Рис. 8. Схема денатурации белковой молекулы: А — исходное состоя-
ние, Б — начинающееся, обратимое развертывание; В — далеко зашед-
шее, необратимое развертывание полипептидной цепочки
Денатурация белка в зависимости от ее степени сопровождается нарушением
5~?ричной, третичной и четвертичной структуры белка и изменением его опти-
ческих свойств (спектральных и других характеристик), изменением реактив-
хсти отдельных химических группировок, определяющих каталитические
действа фермента, и вследствие этого большей или меньшей потерей его био-
тгнческой, например ферментативной, активности.
Денатурация белка и потеря ферментативной активности могут происходить
хд влиянием различных факторов — повышенной температуры, органических
: встворителей, ультрафиолетовой или ионизирующей радиации, кислой или
мелочной реакции среды, ионов тяжелых металлов, денатурирующих веществ
-сдобных мочевине или гуанидинхлориду), вызывающих разрыв водородных
:зязей.
Если путем нагревания или какого-либо другого воздействия вызвать не-
хратимую денатурацию белка, например, какого-либо фермента, то вследствие
везбратимого нарушения нативной конформации молекулы белок1 полностью
• тратит свою каталитическую активность, хотя аминокислотный состав его при
-хм не изменится. ’ ' ’ ’
Особенно разительным примером необходимости сохранения нативной струк-
туры белка для проявления его биологической активности является действие
мочевины на некоторые ферменты. Мочевина разрушает водородные связи, в ре-
зультате чего нарушаются вторичная и третичная структуры белковой молекулы,
-то может быть прослежено по нарастанию характеристической вязкости бел-
кового раствора. Если на находящийся в растворе фермент трипсин воздейство-
вать возрастающими концентрациями мочевины, то по мере нарушения его вто-
ричной и третичной структур и соответствующего нарастания характеристиче-
ской вязкости;происходит одновременное падение егр.ферментативной активности,
которая в конце концов полностью исчезает. Если же мочевину удалить из раст-
вора, то ферментативная активность трипсина полностью восстанавливается.
Ьтот опыт показывает, что обратимая денатурация белка, развертывание его поли-
43
пептидной цепи и нарушение нативной конформации белковой молекулы сопро-
вождаются потерей биологической, в данном случае ферментативной, активности.
Необходимо отметить, что хотя белковая молекула и обладает строго опреде-
ленной и достаточно жесткой структурой, глубокое нарушение которой приводит
к денатурации белка и потере ферментативной активности, эта ее «жесткость»
относительна. Под влиянием различных воздействий (например, слабого нагре-
вания, тех или иных метаболитов, ионов металлов) могут происходить обратимые
изменения конформации молекулы белка, сопровождающиеся снижением или
повышением его биологической, например каталитической, активности.
Путем определения дисперсии оптического вращения для ряда ферментов
показано, что присоединение к ферменту субстрата или определенного низко-
молекулярного соединения сопровождается изменением конформации молекулы
фермента, некоторым развертыванием а-спиралевиднойструктуры или, наоборот,
увеличением доли а-спиральных участков. Подобные обратимые изменения или,
как их называют, конформационные флюктуации белковой молекулы играют
важную роль в регулировании биохимических процессов в живой клетке.
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА БЕЛКОВ
В результате исследований, проведенных с помощью различных физиче-
ских и физико-химических методов (рентгеноструктурный анализ, изучение
вязкости белковых растворов и др.), установлено, что белки различаются также
по форме молекулы. По этому признаку белки разделяют на фибриллярные
(нитевидные) и глобулярные (шаровидные). К первой группе принадлежит, на-
пример, кератин, содержащийся в волосах, рогах и копытах животных, фиброин
шелка, миозин мускулов, фибриноген крови. Ко второй принадлежит подавляю-
щее большинство белков, содержащихся в растениях, животных и микроорга-
низмах.
Глобулярные белки отличаются от фибриллярных тем, что их молекулы
(глобулы) по своей форме приближаются к шару или эллипсоиду вращения.
Сами глобулярные белки тоже различаются между собой по форме молекулы
(глобулы). Одни из них имеют шарообразную форму, другие — форму сигары,
третьи — форму эллипсоида вращения.
v Форму белковой молекулы у глобулярных белков выражают отношением
длины большой оси молекулы к малой оси: 61а. Ниже приведены эти отношения
для ряда белков и некоторых ферментов, полученных в виде белковых кристаллов:
Белок, Отношение б[а
Спирторастворимый белок (зеин) кукурузы ... 20,1
Спирторастворимый белок (глиадин) пшеницы . . 11,1
Фермент каталаза........................... 5,8
Белок из семян конопли (эдестин)........... 4,3
Фермент уреаза............................. 4,3
Приведенные данные показывают, что молекулы некоторых из глобулярных
белков, например зеина, по форме напоминают иглы или короткие нити.
Молекулярная масса белков очень велика. Обычные методы определения
молекулярной массы органических соединений неприменимы к белкам, и их мо-
лекулярные массы определяют с помощью специальных методов. Одним из наи-
более важных является метод, разработанный в 1925 г. Т. Сведбергом. Метод
основан на применении ультрацентрифуги. В этом приборе можно в сотни тысячи
раз увеличить силу тяжести (до 500 000) и заставить молекулы белка оседать в
растворе; по скорости их оседания (скорость седиментации), можно вычислить
молекулярную массу белка.
44
Второй весьма важный метод основан на определении скорости диффузии
м .-екул белка в растворителе и измерении вязкости раствора. Широкое при-
при определении молекулярных масс белков получил также рентгено-
— ктурный анализ.
.То отношению к ряду растворимых белков, которые могут быть достаточно
хсю очищены от различных примесей, производят также определение моле-
- г?ных масс на основе измерения осмотического давления белковых раство-
•| з Нужно отметить, что различные методы дают близкие результаты. Так,
треление различными методами молекулярной массы одного из белков моло-
— — р-лактоглобулина — дало следующие результаты:
Молекулярная
Принцип метода масса
Диффузия........................................ 38 000
Скорость седиментации........................... 41 500
Рентгеноструктурный анализ................... 33 000—35000
Осмотическое давление........................... 35 050
Молекулярные массы различных глобулярных белков колеблются в чрезвы-
х.?^чо широких пределах. Приведем молекулярные массы белков, определенные
к скорости седиментаций в ультрацентрифуге:
Молекулярная
Белок масса
Фермент рибонуклеаза поджелудочной железы . 12700
Лактоальбумин молока........................... 17400
Миоглобин мышц.............................. 16900
Гордеин (белок ячменного зерна)............. 27 500
Фермент пепсин ............................. 35500
Яичный альбумин............................. 40000
Гемоглобин крови человека................... 63 000
Дифтерийный токсин.......................... 74 000
Эдестин (белок из семян конопли)............ 310 000
Фермент уреаза из соевых бобов.............. 480 000
ГЬинято считать, что нижним пределом молекулярной массы белков является
соединения с меньшей молекулярной массой относятся к пептидам.
Белки и аминокислоты, содержащие и карбоксильные, и аминные группы,
являются амфотерными электролитами, т. е. могут диссоциировать и как кисло-
ты, и как основания. В зависимости от реакции растворителя белок будет дис-
социировать либо как кислота (в щелочном растворе), либо как щелочь (в кислом
гастворе). Поэтому в щелочном растворе молекулы белка будут заряжены отри-
цательно, а в кислом — положительно. В соответствии с этим если мы через раст-
зэр белка будем пропускать электрический ток, то в щелочном растворе молеку-
лы белка будут двигаться к аноду, а в кислом — к катоду.
Однако при определенной реакции раствора, при определенном pH, коли-
чество положительных и отрицательных зарядов в молекуле белка будет одина-
ковое, поэтому белковые молекулы не будут передвигаться в электрическом
поле. Реакция среды, при которой устанавливается равенство положительных
и отрицательных зарядов в молекуле белка, носит название изоэлектрической
тити; это одна из характерных констант белков. Ниже приводятся изоэлектри-
ческие точки некоторых белков:
Белки pH
Глиадин пшеничного зерна........................... 7,1
Зеин кукурузного зерна ........................... 6,2
Эдестин из семян конопли ......................... 5,5
45
В изоэлектрической точке белок обладает
наименьшей растворимостью. На рис. 9 пока-
зано, что белок пшеничного зерна — глиадин
обладает наименьшей растворимостью в 60 % -ном
этиловом спирте при pH 7,3, что практически
совпадает с его изоэлектрической точкой (pH
7,1).
При изоэлектрической точке наблюдается
также наименьшая вязкость белковых раство-
ров и наиболее легкое осаждение белка из ра-
створа. Необходимо, однако, подчеркнуть, что
если довести раствор белка до изоэлектрической
точки, то сам по себе белок все же не выпадает
из раствора в виде осадка. Это объясняется гид-
рофильностью белковой глобулы. Мы уже ука-
точка
Рис. 9. Связь растворимости пше-
ничного глиадина с его изоэлект-
рической точкой
зывали, что на ее поверхности расположены различные гидрофильные группы,
притягивающие к себе дипольные молекулы воды. Гидрофильность различных
групп разная. Так, пептидная связь—СО—NH— связывает одну молекулу воды,
карбоксильная группа—СООН связывает четыре молекулы воды, аминная груп-
па— одну и т. д. Те из молекул воды, которые расположены ближе к поверхнос-
ти белковой глобулы, ориентированы по отношению к ней строго определенным об-
разом. Чем дальше от поверхности глобулы удалены молекулы воды, тем беспоря-
дочнее их расположение в растворе. Водная оболочка, имеющаяся вокруг белковой
глобулы, способствует устойчивости белковых растворов и препятствует осажде-
нию белка. Если отнять у белковых глобул связанные с ними молекулы воды
и уменьшить таким образом их гидратацию, то они начнут слипаться, образуя
более крупные частицы белка, и в конце концов начнут оседать из раствора.
Обезвоживание белковых глобул можно произвести с помощью органиче-
ских растворителей или же с помощью солей. Так, при насыщении водного раст-
вора белка спиртом или ацетоном белок осаждается. Поскольку молекулы спир-
та или ацетона более гидрофильны, чем белковые глобулы, то последние лиша-
ются водной оболочки и слипаются в более крупные частицы, выпадающие из
раствора в виде осадка. После удаления спирта или ацетона белковый осадок в
большинстве случаев может быть снова растворен в воде.
Для осаждения белка из раствора с помощью солей необходимо прибавить
к белковому раствору достаточно большое количество соли. Процесс выделения
белка из раствора при добавлении солей называют высаливанием.
Осаждающая способность соли зависит как от катиона, так и от аниона.
Катионы и анионы можно разместить в два ряда по уменьшающейся слева
направо осаждающей способности:
Катионы: Cs, Rb, К, Na, Li, Ba, Sr, Ca, Mg.
Анионы: SO4, Cl, Br, NO3, I, CNS<
Эти ряды носят название лиотропных рядов.
В настоящее время высаливание очень широко применяется для «разделения
и получения в очищенном виде белков и ферментов.
При определенных условиях белковые растворы превращаются в коллоид-
ные системы — гели. В гелях растворитель и белок образуют одну внешне гомо-
генную массу, подобную студню. Гели обладают рядом физических свойств, ха-
рактерных для твердого вещества. Свойства геля зависят, от наличия в нем как
бы своеобразного скелета, состоящего из белковых молекул. В гелях имеется
гидратационная вода, окружающая толстым слоем коллоидные частицы белка,
а также вода, удерживаемая в капиллярных пространствах между ними.
Высушенный гель, помещенный в воду, впитывает ее в очень больших коли-
чествах. Это впитывание воды, называемое набуханием геля, сопровождается
46
[уэеличением его объема и сильным давлением. Последнее достигает иногда чрез-
вычайно больших величин.
Набухание геля зависит от концентрации водородных ионов и от присутст-
Зёя солей. Минимальное набухание наблюдается при изоэлектрической точке
данного белка. Величина же влияния солей определяется лиотропными рядами.
Явление, обратное набуханию, — отделение воды от геля — называется
синерезисом.
Процессы набухания белков играют большую роль в пищевой промышленности. Ha-
Т. хание зерна при замочке, кондиционировании и прорастании, набухание белков муки
г:а изготовлении теста, образование студней при добавлении желатины к различным кон-
хзтерским изделиям — все эти процессы тесно связаны с, набуханием белков.
Выше уже указывалось, что под влиянием некоторых воздействий белки
гэетерпевают изменения, которые обозначают общим термином денатурация.
Характерным изменением белка при денатурации является потеря белком раст-
воримости в воде, в солевых растворах или растворах спирта. Типичным приме-
ром денатурации является свертывание яичного белка при нагревании и проис-
ходящая при этом потеря им растворимости в воде. При свертывании и денату-
рации белка под влиянием высокой температуры уменьшаются также водопог-
лотительная способность белка и способность его к набуханию.
Скорость и степень денатурации белков при нагревании зависят от темпера-
туры нагревания и его продолжительности. Денатурация тем больше, чем выше
температура и чем продолжительнее нагревание. Кроме того, степень и скорость
денатурации белка зависят также от его влажности — денатурация водного
раствора белка происходит при прочих равных условиях гораздо скорее, чем де-
натурация того же белка в высушенном состоянии или же в состоянии геля.
Наряду со снижением растворимости и водопоглотительной способности
белка при денатурации происходит целый ряд других изменений, которые выра-
жаются в повышении реактивности сульфгидрильных групп белка —SH, в по-
вышении в большинстве случаев гидролизуемости белка ферментами, в изменении
вязкости белковых растворов, в изменении формы белковой молекулы, в потере
ферментативной активности.
Денатурация белков имеет большое значение в явлениях жизни и сопровож-
дается параллельно идущими изменениями гидрофильности белков и их способ-
ности к взаимодействию с другими веществами. Так, по мере старения организма
лэоисходит постепенная, хотя и чрезвычайно медленная, денатурация белков и
снижение их гидрофильности. Примером подобной необратимой денатурации
является старение семян, которые, даже при наиболее благоприятных условиях
хранения, через определенный срок теряют способность к прорастанию; при
этом одновременно происходит уменьшение гидрофильности белков. Весьма
важную роль в явлениях жизни играет процесс обратимой денатурации белков —
-ереход глобулярных белков в фибриллярное состояние и обратные превраще-
ния. Возможно, что именно с подобными обратимыми превращениями белков,
сопровождающимися изменениями их гидрофильности и реактивности, тесней-
шим образом связаны такие явления, как завядание растений, движение раз-
личных органов растений, движение протоплазмы.
Явление денатурации белков очень важно в целом ряде процессов пищевой промыш-
-енности: при выпечке хлеба и кондитерских изделий, при сушке макарон, овощей, молока
ыи яичного порошка, при изготовлении консервов и т. д.
ВЫДЕЛЕНИЕ БЕЛКОВ И УСТАНОВЛЕНИЕ ИХ ОДНОРОДНОСТИ
Выделение белков из какого-либо биологического материала (семян, листьев,
шюдэв и т. п.) заключается в экстрагировании их тем или иным растворителем
:<эсле измельчения этого материала. В качестве растворителей применяются вода,
47
солевые растворы, водно-спиртовые раство-
ры, слабые кислоты и щелочи. Получен-
ный раствор белка затем обрабатывается
тем или иным способом — нагревается,
насыщается солями и диализируется, на-
сыщается спиртом или ацетоном, нейтра-
лизуется. При этом из раствора выделяется
соответствующая фракция белков, которая
отделяется и высушивается, причем послед-
няя операция обычно осуществляется пу-
тем проведения препарата белка через
спирт все возрастающих концентраций.
Эти методы, разработанные еще в конце
прошлого столетия главным образом бла-
годаря трудам Г. Риттгаузена, Ф. Гофмей-
стера и особенно Т. Б. Осборна, были до
последнего времени общепринятыми.
С помощью этих методов получено и
детально исследовано огромное число бел-
ков растительного и животного происхож-
дения. Однако за последние годы стало
очевидно, что применявшиеся ранее мето-
ды выделения белков весьма несовершен-
ны. Установлено, что эти методы в боль-
шинстве случаев приводят к большей или
меньшей денатурации белков. Вместе с тем было показано, что белки, считав-
шиеся ранее индивидуальными, однородными, в действительности представ-
ляют собой смеси или комплексы, состоящие из нескольких белков, различаю-
щихся по своим физическим, химическим и биологическим свойствам.
Эти результаты были получены благодаря новым принципам и методам вы-
деления и исследования однородности белков, разработанным на различных бел-
ках животного происхождения, в первую очередь на белках плазмы крови.
Какие же условия выделения обеспечивают получение неденатурированных
препаратов белков?
Важнейшим из них является поддержание возможно более низкой темпера-
туры на всех этапах получения препарата белка. При этом установлено, что
наилучшей является температура, близкая к температуре замерзания раство-
рителя, применяемого для экстрагирования белков.
Не менее важным условием является поддержание pH на соответствующем
уровне, близком к нейтральной реакции или же к изоэлектрической точке дан-
ного белка. Таким образом, применение кислот и щелочей для экстрагирования
белков является недопустимым.
Органические растворители — спирт и ацетон, применяемые для осаждения
и сушки белков, могут вызывать их глубокую денатурацию, сопровождающую-
ся потерей растворимости и свойственной им ферментативной активности. Это
можно наблюдать при осаждении какого-либо из растительных водорастворимых
белков (например, легумелина из семян гороха) при помощи спирта или ацето-
на — белок становится совершенно нерастворимым в воде и теряет многие из
свойственных ему ферментативных функций.
Однако осаждение белков органическими растворителями не вызывает де-
натурации при условии, если эта операция проводится при низких температурах
(—3 или —5°С). При сушке препаратов белков наилучшие результаты дает так
называемая лиофильная сушка, при которой вода удаляется в глубоком вакууме
из замороженного состояния. С помощью лиофильной сушки, чрезвычайно широ-
48
ко применяемой для получения в сухом виде различных сывороток и вакцин,,
а также для высушивания различных пищевых продуктов, могут быть получены
в неденатурированном состоянии препараты самых нестойких белков и фер-
ментов.
Значительные результаты были получены при изучении кристаллических
белков. В 1889 г. впервые был выделен в кристаллическом состоянии альбумин
из белка куриных яиц. С тех пор были получены в кристаллическом состоянии
многие белки растительного и животного происхождения. Получение белка в
виде кристаллов считалось важнейшим критерием его однородности и химиче-
ской индивидуальности. Однако накопился целый ряд данных, показывающих,
что кристаллическое состояние белка не является доказательством его однород-
ности. С помощью новых методов исследования было установлено, что многие
кристаллические белки представляют собой смеси или комплексы, состоящие
из нескольких химически индивидуальных веществ. Так, например, долгое вре-
мя считалось, что кристаллический |3-лактоглобулин молока и кристаллический
фермент уреаза безусловно являются вполне однородными белками. В настоя-
щее время установлено, что они состоят из нескольких белковых компонентов.
Исследование однородности белковых препаратов и выделение отдельных
белковых фракций производится с помощью различных методов, наиболее важные
из которых основаны на применении ультрацентрифугирования, электрофореза,
хроматографии, а также на изучении растворимости белков.
В ультрацентрифуге сначала осаждаются более тяжелые молекулы, затем
менее тяжелые, т. е. в ультрацентрифуге можно разделить белки, различаю-
щиеся по молекулярной массе.
Широкое применение получил метод электрофореза, разработанный А. Ти-
зелиусом. Смысл электрофореза заключается в разделении находящихся в раст-
воре веществ в электрическом поле на основе различий их электрических заря-
дов. Таким образом, при электрофорезе разделяются белки, различающиеся сво-
ими электрическими зарядами.
Электрофоретическое исследование белка производят обычно при несколь-
ких значениях pH, так как установлено, что если при одном pH препарат белка
ведет себя как однородное вещество, то при другом pH этот же препарат может
быть неоднородным.
За последние годы широкое распространение получил электрофорез раство-
ров белков и пептидов на различных носителях — фильтровальной бумаге,
целлюлозном или крахмальном порошке, полиакриламидном геле. Эти методы
позволяют анализировать чрезвычайно малые количества белков.
Особенно высокой разрешающей способностью обладает диск-электро-
форез в полиакриламидном геле, при котором смесь белков подвергается одно-
временному воздействию электрического поля и градиента pH. Эта разновид-
ность электрофореза применяется также для быстрого приблизительного опре-
деления молекулярной массы белков.
Чрезвычайно тонкой разновидностью электрофореза является изоэлектри-
ческая электрофокусировка, позволяющая разделять белки, отличающиеся изо-
электрическими точками на 0,02 pH.
Важным методом исследования однородности белков признан метод, осно-
ванный на изучении их поведения при растворении и на построении кривых
растворимости
Весьма эффективным методом разделения белков, в частности выделения
очищенных препаратов ферментов, оказалась хроматография на колонках из
фосфорнокислого кальция, гидроксил апатита, различных ионообменных смол
и производных целлюлозы, подобных диэтиламиноэтилцеллюлозе и карбокси-
метил целлюлозе (см. с. 252).
Особенно хорошие результаты дает аффинная хроматография на колонках,
49
заполненных носителем, который строго избирательно адсорбирует определен-
ный белок. В качестве примера можно привести выделение из смеси белков фер-
мента а-амилазы на колонке, заполненной крахмалом, являющимся субстратом
данного фермента и поэтому специфически его связывающим.
За последние годы широкое применение в биохимии получила разновидность
хроматографии, основанная на принципе молекулярных сит (гель-фильтрация}.
При этом методе хроматографическая колонка заполняется пористыми гранула-
ми сильно гидратированного углеводного полимера, чаще всего сефадекса (спе-
циальным образом обработанные производные высокомолекулярного углевода
декстрана). При фильтровании через такую колонку смеси низкомолекулярных и
высокомолекулярных белков небольшие белковые молекулы, проникая через
поры внутрь гранул сефадекса, будут протекать по колонке медленнее, чем бел-
ки, молекулы которых не помещаются в порах гранул и поэтому быстрее вытека-
ют из колонки. Белки вытекают из колонки со скоростью, обратно пропорцио-
нальной их молекулярной массе. Фильтрование через гель, так же как и электро-
форез в полиакриламидном геле, широко применяется для быстрого приблизи-
тельного определения молекулярной массы белков.
В заключение отметим, что результаты, полученные новыми методами вы-
деления и исследования однородности белков, заставляют пересмотреть прежние
представления о многих белках как об однородных, химически индивидуаль-
ных веществах.
КЛАССИФИКАЦИЯ БЕЛКОВ
Все белки разделяют на две большие группы: протеины (иначе простые
белки), в состав которых входят только лишь остатки аминокислот, и протеиды
(или сложные белки), которые являются соединением простого белка (протеина)
с каким-либо веществом небелковой природы. Протеины и протеиды подразделя-
ются на ряд подгрупп. Рациональная химическая классификация белковых ве-
ществ пока отсутствует, поэтому приходится придерживаться условной класси-
фикации, основанной на характере растворимости белков.
Протеины
Альбумины. Белки, растворяющиеся в воде. Из водных растворов альбумины
хорошо высаливаются при насыщении солями (например, сернокислым аммони-
ем), а при кипячении — выпадают в виде сгустков денатурированного белка.
Типичным представителем группы альбуминов является белок куриного яйца —
овальбумину представителем альбуминов растительного происхождения можно
назвать лейкозин, содержащийся в зародыше пшеничного зерна, или легумелин
из семян гороха. Небольшое количество альбуминов находится также в зеленых
частях растений. Растительные альбумины, подобные лейкозину и легумелину,
представляют собой смеси или комплексы, состоящие из ряда белков, обладаю-
щих различными ферментативными активностями. Многие альбумины получены
в кристаллическом виде.
Глобулины. Нерастворимы в чистой воде, но растворяются в водных раст-
ворах различных солей. Чаще всего в качестве растворителя при извлечении
глобулинов из различных объектов пользуются теплым 10%-ным раствором хло-
ристого натрия. Для выделения глобулина из солевого раствора последний либо
разбавляют большим количеством воды, либо диализируют в мешочке из полу-
проницаемой пленки. При этом выпадает чистый глобулин. Многие из глобулинов
могут быть получены в кристаллическом состоянии. Глобулины составляют боль-
шую часть белка многих семян, особенно у бобовых растений и масличных
50
гультур. Так, в семенах гороха содержится большое количество глобулина,
□случившего название легумин, в семенах фасоли — фазеолин, конопли — эдес-
гшн, сои — глициния и т. д. Жмыхи, остающиеся после извлечения жира из
семян масличных культур, состоят главным образом из белка (подсолнечник
ювый, льняной, хлопчатниковый жмыхи).
Среди глобулинов животного происхождения можно назвать лактоглобулин
эюлока и фибриноген, дающий при свертывании крови фибрин.
Проламины. Эта группа белков характерна исключительно для семян злаков
ж отличается наилучшей растворимостью в 60—80 %-ном водном этиловом спирте.
Название «проламины» предложено вследствие образования при их гидролизе
значительного количества аминокислоты пролина и аммиачного азота. Прол-
амины незначительно растворяются в воде, но их соли с кислотами и щелочами
растворяются в ней довольно хорошо. При гидролизе проламинов кроме проли-
на и аммиака образуется много глютаминовой кислоты. Лизина они не содержат
или содержат его в весьма незначительных количествах. Проламины найдены
в семенах всех без исключения до сих пор исследованных злаков. Известны сле-
дующие проламины: глиадин в семенах пшеницы и ржи, гордеин в семенах
ячменя, зеин в семенах кукурузы, кафирин в семенах сорго, авенин в семенах
овса. Все эти проламины представляют собой комплексы белков, различающихся
по составу и молекулярной массе.
Проламины в чистом виде получают путем экстрагирования муки 70%-ным
этиловым спиртом с последующей отгонкой спирта в вакууме. Проламин, выпаг
дающий в виде густой клейкой массы, снова растворяют в спирте, и этот раст-
вор вливают в большой объем ацетона. При этом белок выпадает в виде тонкого
чистейшего осадка, который отфильтровывают и затем сушат.
Глютелины. Они содержатся в семенах злаков, а также в зеленых частях
растений. Растворимы только в растворах щелочей (0,2%). Из хорошо изучен-
ных глютелинов можно назвать следующие: глютенин из семян пшеницы, ори-
зенин из семян риса и глютелин, найденный в семенах кукурузы. Глютелины, так
же как и проламины, состоят из ряда белков с различной молекулярной массой
и различным аминокислотным составом.
Фосфопротеины. Небольшая группа простых белков, характерной особен-
ностью которых является наличие в их составе фосфорной кислоты, связанной
сложноэфирной связью с оксигруппой серина и треонина. Фосфопротеины игра-
ют важную роль в питании зародышей животных и молодого, растущего живот-
ного организма. Известны следующие фосфопротеины: казеин, являющийся
главным белком молока, вителлин — яичного желтка и ихтулин, содержащий^
ся в икре рыб.
Протамины. Встречаются только в сперме (молоках) рыб. Характерная
особенность протаминов — их незначительная молекулярная масса, не пре-
вышающая 10 000, а также то, что они приблизительно на 80% состоят из щелоч-
ных аминокислот: аргинина, гистидина и лизина, вследствие чего они обладав
ют ярко выраженным щелочным характером. Протамины не содержат серы., Ти-
пичный представитель протаминов — клупеин, содержащийся в сперме сельди.
Гистоны. Промежуточная группа между протаминами и настоящими белка-
ми. Они также щелочные белки, но у них щелочность выражена слабее, чем у
протаминов, так как они содержат меньше щелочных аминокислот (приблизи-
тельно 20—30%). Гистоны, выделенные из растительной ткани, могут быть раз-
делены на пять фракций, различающихся по аминокислотному составу. Гистоны
содержатся в хромосомах клеточных ядер и, играют важную роль в структуре
хроматина.
Протеиноиды. Нерастворимые фибриллярные белки, входящие в состав
шелка (фиброин}, волос, рогов, копыт (кератин) и сухожилий. Характерная
особенность протеиноидов — высокое содержание в них серы.
51
Протеиды
Протеиды, или сложные белки, представляют собой соединение белка с ве-
ществом небелковой природы, которое называют простетической группой.
В зависимости от химической природы простетической группы различают: липо-
протеиды, хромопротеиды, гликопротеиды и нуклеопротеиды.
В липопротеидах роль простетической группы играют различные жиропо-
добные вещества — липиды. Липопротеиды содержатся в большом количестве
в составе пластид растительной клетки (например, хлоропластов), а также в про-
топлазме.
Типичным представителем группы хромопротеидов является гемоглобин
крови. В нем белок глобин связан с простетической группой, которая носит на-
звание «гем» и является сложным азотистым соединением, содержащим железо.'
В крови некоторых беспозвоночных животных содержится гемоцианин, в кото-
ром белок связан с такой же простетической группой, отличающейся от гема тем,
что вместо железа в ней содержится медь.
В гликопротеидах роль простетической группы играет углевод, ковалентно
связанный с остатками аспарагина, треонина, серина, оксилизина или оксипро-
лина молекулы белка. Гликопротеиды содержатся в животном организме, в ра-
стениях и микроорганизмах. Примером гликопротеида может служить запасной
белок семян фасоли — вицилин. Он содержит маннозу и N-ацетилглюкозамин,
связанные N-гликозидной связью с остатками аспарагина. Некоторые ферменты,
как, например, пероксидаза и глюкозооксидаза, являются гликопротеидами.
В семенах и других частях растений содержатся белки, вызывающие агглю-
тинацию эритроцитов. Эти белки получили название фитогемагглютининов, или
лектинов. Они представляют собой гликопротеиды с молекулярной массой около
120 000. Лектины обладают также способностью агглютинировать раковые клет-
ки, специфически связывать и осаждать полисахариды и гликопротеиды, стиму-
лировать митозы у некоторых типов клеток. Физиологическая роль лектинов в
растениях неясна, однако благодаря своим свойствам они широко используют^
ся в биохимических исследованиях.
По-видимому, лектины играют важную роль в процессе «узнавания» клубеньковыми
бактериями растения-хозяина, на корнях которого они образуют клубеньки. При нагревании
лектины разрушаются.
К гликопротеидам относятся ядовитые белки растений, например рицин из семян
клещевины (Ricinus communis) и абрин из семян Abrus precatorius. Их молекулярная масса
равна 65 000. Эти белки представляют собой димеры; например, молекула рицина состоит
из двух полипептидных цепей (30 000 и 35 000), соединенных дисульфидной связью. Ядови-
тость рицина и абрина обусловлена тем, что они необратимо инактивируют рибосомы.
| Особенно важной группой сложных белков являются -нуклеопротеиды, иг-
рающие первостепенную роль в жизнедеятельности организма, в частности в яв-
лениях наследственности, и содержащиеся в особенно большом количестве в кле-
точных ядрах. В нуклеопротеидах белки связаны с нуклеиновой кислотой.
ЛИТЕРАТУРА
Бейли Дж. Методы анализа белков. —М., 1965.
Белки семян зерновых и масличных культур: Пер. с англ./Под ред. Б. П. Плешкова.
М , 1977.
Гауровиц Ф. Химия и функции белков. М., 1965.
Детерман Г. Гель-хроматография. М. , 1970.
Клименко В. Г. Запасные белки семян. Кишинев, 1978.
Маурер Г. Р. Диск-электрофорез. М., 1971.
Растительные белки и их биосинтез. —Сб. под ред. В. Л. Кретовича. М., 1975.
Advances in Protein Chemistry, vol. 1—33, Academic Press Inc., New York, 1944—1978.
52
Altschul А. Л4., Jatsu L. J., Ory R. L. a. Engleman E. M. Seed Proteins. «Annual Rev«
: Kit Physiol»., 17, 113, 1966.
A nt insen С. B. The Formation and Stabilisation of Protein Structure. «Biochem. J.»,
737, 1972.
Dickerson R. E. a. Geis /. The Structure and Action of Proteins. Harper a. Row Publ.,
чт York, London, 1969.
Fowden L., Lea P. J. a. Bell E. A. The Nonprotein Amino Acids of Plants. «Advances in
i-izymology», 50, 117, 1979.
Liener J. E. Phytohemagglutinins (Phytolectins). «Annual Rev. Plant Physiol.», 27,
51. 1976.
Litten W. The Most Poisonous Mushrooms. «Scientific American», 232, 91, 1975.
Sharon N. Lectins. «Scientific American», 236, N 6, 108, 1977.
<The Proteins». Edited by H. Neurath a. R. L. Hill; vol. 1/1975/; vol. 2/1976/; vol.
S 1977/; vol. 4/1978/.
Глава II
НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ
Нуклеиновые кислоты наряду с белками являются важнейшими биополи-
мерами, образующими протоплазму живой клетки.
Биологическая роль нуклеиновых кислот заключается в том, что в них
закодирована генетическая информация, и благодаря им эта информация реали-
зуется. При непосредственном участии нуклеиновых кислот осуществляется
синтез всех белков, а следовательно, и ферментов, содержащихся в живой клет-
ке. Нуклеиновые кислоты обладают гигантской молекулярной массой, растворя-
ются в щелочных растворах и осаждаются из них при подкислении. При гидро-
лизе они дают пуриновые основания, пиримидиновые основания, сахар пентозу
(рибозу или дезоксирибозу) и фосфорную кислоту.
Пуриновые основания являются производными пурина. Среди них особен-
ное значение имеют аденин (6-аминопурин) й гуанин (2-амино-6-оксипурин):
Пурин
Аденин
(6-аминопурин)
Г уанин
(2-амино-б-оксипурин)
В процессе обмена веществ растительных и животных организмов пуриновые основа-
ния образуют ряд продуктов, среди которых особенно важна мочевая кислота', у человека она
конечный продукт пуринового обмена. В некоторых растениях в значительных количествах
накапливаются метилированные производные пурина — кофеин, содержащийся в кофе и чае,
и теобромин, представляющий собой активное начало плодов шоколадного дерева (Theobro-
та cacao):
54
Мочевая кислота
Кофеин
Кофейные зерна содержат до 1,5% кофеина; еще выше его содержание в чайных листь-
ях (до 5%). Содержание теобромина в бобах какао доходит до 1,8%. Возбуждающее сердеч-
ную деятельность действие кофе и чая зависит от наличия в них кофеина.
Пиримидиновые основания, содержащиеся в нуклеиновых кислотах, —
цитозин, урацил и тимин — являются производными пиримидина:
Н
npSch
г II
нс^ Лен
nh2
^сн
Цитозин
Н
Урацил
Пиримидин
О
НЬК ^С—СН3
Н
Тимин
В составе нуклеиновых кислот обнаружены также 5-метилцитозин и 5-окси-
метилцитозин:
NH,
I .
С
/\
N С—СН3
I II
о=с сн
н
N С—СН2ОН
I II
о=с сн
5-Метилцитозин
5-Оксиметилцитозин
В некоторых сравнительно низкомолекулярных нуклеиновых кислотах
(транспортных) в небольшом количестве содержатся так называемые минорные
основания — гипоксантин, 1-метилгипоксантин, N 2-диметилгуанин, 1-метил-
гуанин, псевдоурацил, дигидроурацил.
1-М етилгипоксантин
1-Метилгуанин
Псевдоурацил Дигидроурацил
55
Пуриновые и пиримидиновые основания стимулируют рост растений и микро-
организмов.
Каким же образом связаны между собой отдельные части в молекуле нукле-
иновых кислот? При осторожном гидролизе нуклеиновых кислот получаются
соединения, в которых первый углеродный атом (С = I1) фуранозной формы
сахара рибозы или дезоксирибозы (см. с. 160) связан с пуриновым или пирими-
диновым основанием посредством атома азота. Так, например, аденин связан с
рибофуранозой следующим образом:
NH2
Подобные соединения, в которых рибоза или дезоксирибоза связаны с каким-
либо из пуриновых или пиримидиновых оснований, получили название нуклео-
зидов (по аналогии с гликозидами). Изображенный выше нуклеозид называется
аденозином. Нуклеозиды, соединяясь с одной молекулой фосфорной кислоты,
образуют более сложные вещества — нуклеотиды, играющие исключительно
большую роль в обмене веществ живой клетки. Важное значение нуклеотидов
состоит не только в том, что из них построены гигантские молекулы нуклеино-
вых кислот, но и в том, что они входят в состав ряда важнейших ферментов, а не-
которые из них являются веществами, в которых аккумулируется энергия, не-
обходимая для осуществления процессов жизнедеятельности.
Присоединение одной молекулы фосфорной кислоты к молекуле аденозина
у пятого углеродного атома рибозы приводит к образованию нуклеотида, назы-
ваемого аденозин-5'-монофбсфатом или адениловой кислотой:
Аналогично аденозину и адениловой кислоте построены другие нуклеозиды и нуклеотиды,
образующиеся при гидролизе нуклеиновых кислот и перечисленные ниже:
Азотистые основания Нуклеозиды Нуклеотиды
Пуриновые [ Аденин Аденозин Адениловая кислота ] Гуанин Гуанозин Гуаниловая »
56
Пиримидиновые
Цитозин
Урацил
Тимин
5-Метил цитозин
Цитидин
Уридин
Тимидин
5-Мети л цитидин
Цитидиловая кислота
Уридиловая »
Тимидиловая »
5-Метилцитидиловая кис-
лота
Адениловая кислота может присоединить к своему фосфатному остатку
еще один или два остатка фосфорной кислоты с образованием при этом адено-
зиндифосфата (ADP) или аденозинтрифосфата (АТР). В молекуле аденозинтри-
фосфорной кислоты три остатка фосфорной кислоты соединяются последова-
тельно один за другим. Строение аденозинтрифосфорной кислоты следующее:
Аденозинмонофосфат (АМР)
Аденозиндифосфат (ADP)
Аденозинтрифосфат (АТР)
Значком «со» обозначены высокоэнергетические фосфатные связи.
Соединения, содержащие такие связи, чрезвычайно богаты энергией, освобождаю-
щейся при их гидролитическом расщеплении.
При гидролизе обычной сложноэфирной фосфатной связи освобождается
энергия, равная приблизительно 2000—3000 калорий, а при гидролизе высоко-
энергетической связи АТР — около 7000 калорий.
Кроме аденозиндифосфата и аденозинтрифосфата известны другие соеди-
нения, содержащие высокоэнергетические связи: аргининфосфат, дифосфо глице-
риновая кислота, ацетилкофермент А и др. (см. с. 121). Соединения, содержащие
высокоэнергетические связи (в частности, аденозиндифосфорная и аденозинтри-
росфорная кислоты) чрезвычайно важны в обмене веществ. В них аккумулиру-
ется энергия, освобождающаяся при различных реакциях, происходящих в про-
цессе дыхания, брожения и фотосинтеза. Под влиянием соответствующих фер-
ментов фосфатные и другие группы,содержащие высокоэнергетические связи,
^игут быть перенесены на другие вещества. Таким образом, энергия, накопившая-
ся в высокоэнергетических соединениях, может быть использована далее в обме-
не веществ.
Аденозинтрифосфат под действием особого фермента — аденилатциклазы
4.6.1.1) —образует циклический аденозинмонофосфат, который играет важней-
_ую роль в регуляции ферментативных процессов и в синтезе белков в живот-
ном организме. Это превращение происходит следующим образом:
57
У некоторых низших грибов, например из рода Dictiostelium, принадлежа-
щих к слизистым плесеням (Acrasiae), циклический АМР выполняет роль сигна-
ла, вызывающего хемотаксис и объединение отдельных амеб в псевдоплазмодий,
подобный плазмодию грибов-слизевиков. Циклический АМР обнаружен в расти-
тельных тканях, однако функция его неясна; он также содержится в клубень-
ковых бактериях, у которых регулирует обмен водорода.
Совершенно аналогично аденозиндифосфату и аденозинтрифосфату построе-
ны уридиндифосфат (UDP) и уридинтрифосфат (UTP), которые необходимы
для действия ряда ферментов, катализирующих превращения и синтез многих
сахаров — глюкозы, фруктозы, галактозы, сахарозы, трегалозы и их фосфорно-
кислых эфиров, а также полисахаридов — клетчатки, крахмала, хитина, маннана:
ООО
II II II
U—О—Р—О-P—Р—он
I I I
он он он
Схема строения уридинтрифосфата (U-остаток уридина)
В результате присоединения к гуаниловой кислоте (гуанозин-5'-монофосфа-
ту, или GMP) еще одного остатка ортофосфорной кислоты образуется гуанозин-
дифосфат (GDP), а если к этому последнему присоединяется еще один остаток
ортофосфата, то получается гуанозинтрифосфат (GTP). Гуанозиндифосфат со-
держит одну высокоэнергетическую связь, а гуанозинтрифосфат — две.
Высокоэнергетические производные цитидиловой кислоты (цитидин-5'-моно-
фосфата, или СМР) — это цитидиндифосфат (CDP) и цитидинтрифосфат (СТР);
последний входит в состав ферментов, участвующих в синтезе фосфатидов (см.
с. 266).
Производные тимидиловой кислоты (тимидинмонофосфата, или ТМР) — это
содержащий одну высокоэнергетическую связь тимидиндифосфат (TDP) и тими-
динтрифосфат (ТТР), содержащий две высокоэнергетические связи.
Ниже приводятся полные и сокращенные названия важнейших нуклеотидов
и их фосфорнокислых производных:
Аденозинмонофосфат АМР
(адениловая кислота)
Аденозиндифосфат ADP
Аденозинтрифосфат АТР
Гуанозинмонофосфат GMP
(гуаниловая кислота)
Гуанозиндифосфат GDP
Гуанозинтрифосфат GTP
Цитидинмонофосфат СМР
(цитидиловая кислота)
Цитидиндифосфат CDP
Цитидинтрифосфат СТР
58
Уридинмонофосфат UMP Тймидинмонофосфат ТМР
(уридиловая кислота). (тимидиловая кислота)
Уридиндифосфат UDP Тимидиндифосфат TDP
Уридинтрифосфат UTP Тимидинтрифосфат ТТР
В состав ряда нуклеотидов, принимающих участие в построении окислитель-
но-восстановительных ферментов, вместо пуриновых или пиримидиновых основа-
ний входят некоторые витамины (например, амид никотиновой кислоты).
Отдельные нуклеотиды, состоящие из соединенных между собой пуриновых
или пиримидиновых оснований, рибозы или дезоксирибозы и молекулы фосфор-
ной кислоты, соединяясь между собой, образуют нуклеиновые кислоты — поли-
нуклеотиды.
Имеется два типа нуклеиновых кислот, различающихся между собой по хи-
мической природе входящего в их. состав сахара. Нуклеиновые кислоты, при-
надлежащие к первому типу, носят название дезоксирибонуклеиновых кислот
(ДНК); они содержат D-2-дезоксирибозу и тимин. Второй тип получил название
рибонуклеиновых кислот (РНК); они содержат урацил, а их сахарный компонент—
D-рибоза.
Дезоксирибонуклеиновая кислота содержится в основном в ядрах клеток,
а рибонуклеиновая — в цитоплазме и ядре. Небольшие количества ДНК со-
держатся также в хлоропластах и в митохондриях. ДНК хлоропластов несколько
отличается от ядерной ДНК по физическим свойствам, а также по нуклеотидному
составу.
Рибонуклеиновые кислоты подразделяются на три основных типа — инфор-
мационную, или матричную (мРНК), рибосомальную (рРНК) и транспортную
<тРНК).
Молекулярные массы нуклеиновых кислот могут достигать очень больших
величин. Так, молекулярная масса рибонуклеиновой кислоты, выделенной из
вируса табачной мозаики, равна 2 000 000, а молекулярная масса дезоксирибо-
нуклеиновой кислоты достигает нескольких миллионов и даже миллиардов. Од-
нако транспортные рибонуклеиновые кислоты имеют молекулярную массу, ко-
леблющуюся в пределах 23 000 — 30 000.
Путем изучения оптических свойств и вязкости растворов дезоксирибонук-
леиновой кислоты, а также наблюдений в электронном микроскопе установлено,
Рис. 10. Электронно-микроскопическая фотография кольцевой молекулы ДНК хлоропла-
стов гороха (увел, в 35 000 раз)
59
что молекула дезоксирибонуклеиновой кислоты представляет собой длинную
нить, часто замкнутую на себя по кругу. На рис. 10 показана сделанная в элект-
ронном микроскопе фотография кольцевой молекулы ДНК, выделенной их хлоро-
пластов гороха.
Отдельные нуклеотиды, входящие в состав нуклеиновых кислот, соединяясь
между собой, образуют длинную цепочку:
s
t:
w
О=Р—ОН
Остаток пентозы
Остаток пентозы
О
№
О
Таким образом, молекулы ДНК и РНК образуют гигантскую полинуклео-
тидную цепочку, длина которой в отдельных случаях может достигать 0,5 см.
Специфические химические и биологические свойства рибонуклеиновых и дез-
оксирибонуклеиновых кислот зависят в первую очередь от состава образующих
их нуклеотидов, расположения и последовательности их в полинуклеотидной
цепочке нуклеиновой кислоты.
При исследовании химического состава ДНК, выделенной из различных
организмов, органов и тканей, Э. Чаргафф установил чрезвычайно важный и
интересный факт: в молекуле любой ДНК количество молей аденина (А) равно
количеству молей тимина (Т), а количество молей цитозина (С) точно равно со-
держанию гуанина (G). Это можно изобразить следующим образом: А = Т и
С = G или А/Т = 1 и C/G = 1. (А + G) : (Т +С) = 1. Это значит, что сумма
пуриновых оснований в ДНК любого происхождения равна сумме пиримидино-
Таблица 2
Нуклеотидный состав ДНК различных растений
Источник ДНК Моли, %
гуанин цитозин 5-метилцитозин аденин тимин
Корни проростков гороха . 20,3 14,8 5,1 31,5 28,2
Листья моркови 23,2 17,3 6,0 26,7 26,8
Семена сосны 20,8 14,6 4,9 29,2 30,5
Зародыши семян хлопчат-
ника 16,9 12,7 4,6 32,8 32,9
Зародыши кукурузы . . . 22,8 17,0 6,2 26,8 27,2
Зародыши пшеницы . . . 22,9 16,8 6,0 29,3 29,1
60
вых оснований. Эта закономерность получила название правило Чаргаффа. Оно
свидетельствует о том, что в молекуле ДНК наблюдается строгое соответствие
в составе оснований: на один остаток аденина обязательно приходится один
остаток тимина и на остаток цитозина и 5-метилцитозина — остаток гуанина.
Молярное соотношение оснований (нуклеотидный состав) в различных
ДНК показано в табл. 2.
Правило Чаргаффа сыграло важную роль при расшифровке молекулярной
структуры ДНК.
В состав некоторых нуклеиновых кислот кроме нуклеотидов, содержащих
обычные азотистые основания — аденин, гуанин, цитозин и урацил, в небольшом
количестве входят также нуклеотиды, содержащие минорные азотистые осно-
вания.
Определение последовательности нуклеотидов в нуклеиновых кислотах
весьма трудная задача. Однако за последние годы благодаря применению специ- >
фических ферментов, расщепляющих лишь строго определенные связи в моле-
Рис. 11. Плоскостная модель строения аланиновой транспортной РНК:
А — адениловая кислота, I — инозиновая кислота, Im — метилинозиновая кислота, G —
гуаниловая кислота, Gm — метилгуаниловая кислота, Gd— диметилгуаниловая кислота,
С — цитидиловая кислота, U — уридиловая кислота, Uh — дигидроуридиловая кислота,
Т — риботимидиловая кислота, ф — псевдоуридиловая кислота
61
куле нуклеиновой кислоты, удалось достигнуть замечательных успехов в этой
области. Сочетание действия ферментов панкреатической рибонуклеазы, расщеп-
ляющей РНК по соседству с пиримидиновыми нуклеотидами, и рибонуклеазы
гриба Aspergillus oryzae, специфически разрывающей цепочку РНК по соседству
с нуклеотидами, содержащими гуанин и инозин, с анализом нуклеотидной по-
следовательности в получаемых таким образом «осколках» молекулы, позволило
Р. Холли с сотрудниками полностью расшифровать строение «аланиновой»
транспортной РНК пекарских дрожжей. Эта тРНК, переносящая аланин в рибо-
сому, где происходит синтез белков, имеет молекулярную массу 26 600 и пред-
ставляет собой цепочку, состоящую из 77 нуклеотидов. Аналогичным образом
расшифрована также первичная структура более 90 других транспортных РНК.
Вторичная и третичная структуры транспортных РНК, по-видимому, весь-
ма изменчивы. На рис. 11 представлена модель аланиновой транспортной РНК,
«расплющенная» на плоскости.
Некоторые участки молекулы транспортной РНК, в которых ветви поли-
нуклеотидной цепочки близко подходят друг к другу, соединяются между
собой водородными связями и имеют спиральную структуру.
Другие виды РНК, например матричная РНК и высокомолекулярная рибо-
сомальная РНК, имеют другую
структуру, схематически пока-
занную на рис. 12.
На рисунке показано, что
молекула этих видов РНК зас-
пирализована на некоторых
участках, между которыми име-
ются неспиральные участки. Эта
вторичная структура молекулы
РНК аналогична вторичной
структуре белковой молекулы.
Молекула РНК имеет также и
третичную структуру, которая
определяет строго определенную
упаковку всей молекулы в про-
странстве.
Рис. 13. Различная макромолекулярная струк-
тура РНК: А — развернутая нить, Б —ком-
пактный стержень, В — компактный клубок
Рис. 12. Форма молекулы мат-
ричной РНК
62
А. С. Спирин показал, что в
зависимости от ионной силы раст-
вора, температуры и других фак-
торов макромолекулы РНК могут
существовать в различных состоя-
ниях и иметь различную третич-
ную структуру; различные формы
РНК могут переходить одна в дру-
гую (рис. 13). На рис. 13 показано,
что макромолекулы РНК могут
иметь форму компактного стерж-
ня, компактного клубка или развер-
нутой нити. Все эти состояния
связаны между собой обратимыми
переходами.
Д. Уотсон и Ф. Крик обосно-,
вали теорию, согласно которой мо-
лекула ДНК представляет собой
двойную завитую спираль, как бы
две пружины, вставленные одна в
другую и соединенные водородны-
ми связями. Азотистые основания,
входящие в состав двух спираль-
ных цепочек ДНК, соединяются
между собой водородными связями.
При этом, в точном соответствии с
правилом Чаргаффа, аденин одной
полинуклеотидной цепочки всегда
Рис. 14. Схема спаривания азотистых основа-
ний в молекуле ДНК
соединяется двумя водородными связями
с тимином’ другой цепочки, а гуанин всегда связывается тремя водородными
связями с цитозином (рис. 14).
Это строго избирательное спаривание, или комплементарность1, азотистых
оснований имеет исключительно важное значение для понимания процесса син-
теза белков.
—А С—
—U=======A—
—A G—
—G=======C—
—С U—
—Che=e===G—
—А С—
—G U—
—U=======A—
—с и—
—G G—
—и=======А—
Таким образом, две полинуклеотидные «спирали» молекулы ДНК связаны
между собой огромным количеством водородных связей.
В молекулах РНК также имеет место связывание отдель-
ных участков нуклеотидной цепи путем образования водород-
ных связей между двумя основаниями. Комплементарное
спаривание в молекулах РНК обусловлено взаимодействием
аденина с урацилом и гуанина с цитозином (рис. 15).
В составе субклеточных структур — рибосом (см. с. 364),
в которых происходит синтез белков, обнаружена низкомо-
лекулярная РНК, так называемая 5S РНК. Ф. Сенгером с
сотрудниками расшифрована первичная структура молекулы
5S РНК, выделенной из рибосом кишечной палочки (Escheri-
chia colt) и состоящей из 120 остатков нуклеотидов.
На основании всех имеющихся в настоящее время дан-
ных построена молекулярная модель строения ДНК, предста-
вленная на рис. 16 (см. цветную вкл.).
Длинная двухтяжевая молекула ДНК под влиянием на-
гревания, изменения pH и некоторых других воздействий
Рис. 15. Схема ___________
водородных свя-
зей в молекуле 1 Комплементарный — дополнительный, причем в данном случае
РНК имеет-место строго избирательная дополнительность.
63
Рис. 17. Денатурация ДНК при нагре-
вании и влияние охлаждения на нагре-
тый раствор
Рис. 18. Изменение оптиче-
ской плотности при длине
волны 260 нм раствора ДНК
из митохондрий турнепса
может «расплетаться» — превращаться 1
две отдельные полинуклеотидные цепочкк.
Этот процесс носит название: 'денатурации
ДНК- При медленном остывании такогз
нагретого раствора отдельные полинукле
отидные тяжи снова соединяются водород-
ными связями, а при быстром охлажден»
раствора подобного восстановления двух-
тяжевой структуры ДНК не происходи*-
(рис. 17).
Процесс «расплетания» двухтяжевой
молекулы ДНК и обратной рекомбина-
ции отдельных полинуклеотидных цепочек
постоянно происходит в живой клетке
при физиологических условиях. Способ-
ность ДНК образовывать двойную спираль,
«расплетаться» и снова образовываться иг-
рает важнейшую роль в .жизни клетки, в
процессе ее деления и синтеза белков.
Процесс «расплетания» двухтяжевой
молекулы ДНК сопровождается резкими
изменениями физических свойств раство-
ра — значительным снижением его вязко-
сти и увеличением поглощения света при
260 нм. Это последнее изменение, называемое гиперхромным эффектом, связано
с происходящим при «расплетании» двухтяжевой структуры разрывом водород-
ных связей.
На рис. 18 представлен гиперхромный эффект, наблюдаемый при тепловой
денатурации (иначе называемой плавлением) ДНК из митохондрий турнепса.
ДНК некоторых бактериофагов является однотяжевой, замкнутой на себя
по кругу и состоит из 5,5-103 нуклеотидов.
Бактерии содержат одну единственную молекулу ДНК, состоящую из двух
полинуклеотидных цепочек, замкнутых на себя по кругу. Эта ДНК имеет колос-
сальную молекулярную массу порядка 2—3- 109 и является «хромосомой» бакте-
рий. В цитоплазме бактерий иногда содержится также внехромосомная ДНК со
значительно меньшей молекулярной массой, чем хро-
мосомная. Эти молекулы внехромосомной ДНК, в ко-
торых закодированы некоторые генетические признаки
бактерий, носят название плазмид или эписом. Так,
например, у клубеньковых бактерий в плазмидах за-
кодирована способность к образованию клубеньков. Мо-
лекулярная масса плазмид колеблется от 1,5 до 350
миллионов.
В нуклеопротеидах нуклеиновые кислоты связа-
ны водородными и солевыми связями с белком. У эу-
кариотов, в том числе у растений, ядерная ДНК свя-
зана с гистонами и другими белками.
Фильтрующиеся вирусы состоят в основном из
нуклеопротеидов и являются возбудителями многих
заболеваний растений, животных и человека.
Вирусы, вызывающие заболевания животных и
человека, содержат либо рибонуклеиновую, либо де-
зоксирибонуклеиновую кислоты. Вирусы растений
обычно содержат рибонуклеиновую кислоту. Фильт-
64
Рис. 16. Молекулярная модель ДНК
109
Рис. 26. Схема третичной структуры молекулы химотрипсина. Активный центр образуют
остатки серина 195, гистидина 57 и аспарагиновой кислоты 102
Красным цветом показаны функциональные группы активного -центра, желтым цветом — пять дисульфидных
мостиков, белым — боковые цепи.
Рис. 70. Хроматограмма пигментов
листа на окиси магния:
1 — каротин, 2 — люте-
ин, 3 — хлорофилл
Рис. 71. Повторная хроматограмма
хлорофиллов на крахмале:
1 — хлорофилл а,
2—хлорофилл b
Рис. 104. Схема строения белково-липидной мембраны, окружающей протоплазму в клет-
ках листа сахарного тростника (Г. Стробель):
/— место связывания токсина, 2 — белок, связывающий токсин, 3— молекулы липидов, 4 — аденозинтрифосфатаза
Рис. 19. Частицы вируса
табачной мозаики под элек-
тронным микроскопом
(увел, в 20 000 раз)
Рис. 20. Модель отрезка
частицы вируса табачной
мозаики
рующиеся вирусы были так названы потому, что они проходят через бактериаль-
ные фильтры, задерживающие все микроорганизмы. Фильтрующиеся вирусы —
это неклеточные формы живого вещества, которые способны к самовоспроиз-
ведению. Однако от бактерий большинство вирусов отличается тем, что они не
сдобны к самовоспроизведению вне живой клетки.
Фильтрующиеся вирусы были открыты в 1892 г. Д. И. Ивановским
пда® изучении мозаичной болезни табака. В настоящее время изучено большое
вдело вирусов, многие из которых могут быть получены в кристаллическом
ете.
За последние годы получены важные данные, касающиеся выяснения струк-
туры вирусов и химической природы их инфекционности. Так, например, уста-
кялево» что вирус, вызывающий у табака заболевание табачной мозаикой, на 94%
состоит из белка и на 6% — из рибонуклеиновой кислоты. Частица этого вируса
алеет «молекулярную массу» 40 000 000 — 50 000 000 и форму длинного стерж-
о о
ел. длина которого около 3000 А и ширина 150—180 А. На рис. 19 изображены
ч^гтнпы вируса табачной мозаики под электронным микроскопом. Центральная
часть стержня полая. Таким образом, частица вируса табачной мозаики пред-
ставляет собой как бы полую толстостенную трубку. Стенки этой «трубки» состоят
из белка, расположенного в виде очень плотной спирали, которая в свою очередь
внутри «прошита» также идущёй по спирали нитью рибонуклеиновой кислоты.
На рис. 20 представлена модель небольшого отрезка частицы вируса табачной
мозаики. В этой модели каждая отдельная «ягода» представляет собой элементар-
3-596
65
15 10 15
Ацетил—N—Ser-— Tyr—— Ser-— He-—Thr-—Thr—► Pro-— Ser——Gin——Phe~—Vai-— Phe—— Leu——Ser— Ser
30 . 25 20
Ala—Asn—Thr—Cys—Asp—Leu—lie —Leu—-Gin —He -—Pro-*-Asp— Ala— Trp—Ala'
kLeu—Gly-—Asn-
35
40
-Thr-—G In-—G In—Ala
45
Thr—Vai—Gin—Vai
60 55 50
V al h г-—V al •—G In—-Pro — Ser -—Pro -*- Lys — T гр—V al —G In —Ser-*-Phe—G In-
-x 65
rw—,Ph e-—Pro-—A sp1——Ser-— A sp-—Phe
90 85 80
Thr-*-Asp-*-Phe-*-Ala-—G ly— Leu—Leu-*—Ala— Thr— Vai-*—Leu'— Pro—Asp—-Leu'
al
75
A sn-—A la-—V al
95 100 105
-— He ~— I le-—G In»-—V al-—G lu—A sn-—G In—*-A la——A sn-—Pro-—T h r-—T h r-—A la
120 115 x-x 110
A la—V al—T hr—-A la—A sp-*- A sp—V al-*- A rg—-(a rd-—-Thr—A la—A sp-*-Leu-*-Thr-*-G lu1
He—
125 130
Ala-—Asp-—He-—Ash-—Leu— He -— Vai-—Ghi-—Leu
13S
Gly-
150 145 140
,Leu—G ly—Ser—Ser—Ser—Glu—Phe^—Ser—Ser—Аги—Asn—Tyr—Ser-^-Gly—Thr'
155 158
>V al-—T rp-—Thr-—Ser—— Gly——Pro——Д la——Thr
Рис. 21. Схема строения молекулы белка вируса табачной мозаики
ную структурную единицу белка с молекулярной массой 17 400. Вверху и на от-
крытом участке модели видны витки рибонуклеиновой кислоты, «прошивающей»
частицы белка. Путем мягкой химической обработки белок и рибонуклеиновая
кислота вируса табачной мозаики могут быть разделены. Если их затем снова
соединить, то они образуют частицы, по форме похожие на исходный вирус и об-
ладающие инфекционностью.
Элементарная структурная единица белка вируса табачной мозаики, имею-
щая молекулярную массу 17 400, представляет собой полипептид, состоящий
из 158 аминокислотных остатков, расположенных в полипептиднрй цепи так, как
это показано на рис. 21.
Как показали Г. Шрамм и Г. Френкель-Конрат, заболевание мозаикой вы-
зывает рибонуклеиновая кислота вируса. При этом, будучи введена в здоровый
лист табака, она воспроизводится не только сама, но и вызывает синтез белка,
входящего в состав вируса табачной мозаики.
Инфекционностью обладает также рибонуклеиновая кислота, выделенная
из ряда других вирусов. Таким образом, инфекционность вируса определяется
входящей в его состав нуклеиновой кислотой. Различные штаммы вируса табач-
ной мозаики, несколько различающиеся по внешним признакам заболевания
табачного растения, отличаются также друг от друга как по аминокислотному
составу белка, так и по составу и последовательности нуклеотидов в РНК.
Частицы ряда вирусов растений, например полученного в кристаллическом
состоянии вируса мозаичной болезни турнепса, имеют шарообразную форму.
Такая частица содержит 35% РНК и представляет собой как бы шарик, оболочка
которого состоит из белка, а внутри содержится РНК.
Рибонуклеопротеиды входят также в состав рибосом — субклеточных ча-
стиц, в которых происходит синтез белка (см. с. 364).
Некоторые заболевания растений вызывают так называемые вироиды, пред-
ставляющие собою молекулы нуклеиновых кислот с молекулярной массой
110 000— 127 000. Так, вироид веретеновидности клубней картофеля является
молекулой РНК, состоящей из остатков 359 нуклеотидов.
66
ЛИТЕРАТУРА
Баев А. А. Структура и функция транспортных РНК. — Журнал «Природа». М., 1969,
№ 4, с. 19.
Белозерский А. И. Нуклеопротеиды и нуклеиновые кислоты растений и их биологиче-
ское значение. М., 1959.
Гаузе Г. Г. Митохондриальная ДНК. М., 1977.
Дэвидсон Д. Биохимия нуклеиновых кислот. М., 1976.
Одинцова М. С, ДНК хлоропластов и митохондрий. — Итоги науки и техники. Серия
сБиологическая химия». М., 1976, т. 10.
Органическая химия нуклеиновых кислот / Под ред. Н. К. Кочеткова и Э. И. Будов-
ского. М., 1970.
Спирин А. С. Рибонуклеиновые кислоты (состав, строение и биологическая роль). М.,
1964.
Филиппович Ю. Б. Биохимия белка и нуклеиновых кислот. М., 1978.
Френкель-Конрат Г. Химия и биология вирусов. М., 1972.
Bedbrook J. R. a. Kolodner R. The Structure of Chloroplast DNA. «Annual Rev. Plant
Physiol.», 30, 593, 1979.
Davidson J. JV. The Biochemistry of the Nucleic Acids, eighth edition, Chapman a. Hall
Edit., London, 1976.
Loening U. E. RNA Structure and Metabolism. «Annual Rev. Plant Physiol.», 19, 37,
1968.
Глава III
ВИТАМИНЫ
«Связь между ферментами и витаминами,
возможно, и ... выражается в том, что
последние необходимы как строительный
материал для первых».
Н. Д. Зелинский (1922)
Витамины представляют собой группу сравнительно низкомолекулярных
органических соединений разнообразного химического строения, объединяемых
по признаку их строгой необходимости для питания животного и человеческого
организма. По сравнению с основными питательными веществами — белками,
жирами и углеводами — витамины требуются в ничтожно малых количествах
и выполняют в организме каталитические функции.
Основным поставщиком витаминов для человека и животных является ра-
стение, где они синтезируются. Человек получает витамины или непосредст-
венно из пищевых продуктов растительного происхождения, или из пищевых
продуктов животного происхождения, в которых витамины были предваритель-
но накоплены из растительной пищи.
Отсутствие или недостаток в пище витаминов приводит к глубоким наруше-
ниям обмена веществ и в конечном счете к заболеваниям, получившим название
авитаминозов и гиповитаминозов. В зависимости от недостатка того или иного
витамина возникают различные авитаминозы и часто довольно тяжелые заболе-
вания. Таковы, например, цинга, рахит, пеллагра, куриная слепота, полиневрит.
Авитаминозы как социальные болезни в СССР отсутствуют.
Витамины были открыты в 1880 г. русским ученым Николаем Ивановичем
Луниным. Он установил, что белые мыши, получавшие коровье молоко, хорошо
росли и были здоровы. Такие же мыши, но получавшие вместо цельного молока
смесь очищенных веществ, входящих в состав молока: белка, жира, сахара и ми-
неральных солей, — быстро погибали.
Лунин отсюда сделал вывод, что в пище кроме известных в то время хими-
ческих веществ содержатся какие-то неизвестные, но жизненно необходимые
вещества.
Несколько лет спустя важные наблюдения были сделаны голландским врачом
X. Эйкманом, который показал, что однообразное питание полированным рисом
вызывает у людей тяжелое заболевание, известное под названием бёри-бёри.
Проведенные Эйкманом опыты показали, что аналогичное заболевание (поли-
неврит) возникало у кур, которых он кормил полированным рисом. Добавка
68
х полированному рису рисовых отрубей ока-
зывала благотворное действие и излечивала
хак подопытных кур, так и людей, больных
бери-бери. Исходя из этого, Эйкман высказал
предположение, что рисовые отруби содержат
хакие-то неизвестные вещества, необходимые
для нормального питания и обмена веществ.
Позже эти наблюдения Лунина и Эйкмана
были подтверждены и развиты Ф. Г. Гоп-
кинсом.
По предложению польского ученого
К. Функа, жизненно важные вещества, содер-
жащиеся в пище в весьма незначительных
количествах, но играющие важную роль в
обмене веществ, были названы витаминами.
В настоящее время открыто большое число
различных витаминов и выяснена их химиче-
ская природа. Раздел биохимии, занимаю-
щийся изучением витаминов и их биологиче-
ской роли, называют витаминологией. Важ-
ная роль витаминов в питании человека и
сельскохозяйственных животных вызвала к
Николай Иванович Лунин
(1854—1937)
жизни специальную отрасль промышленности — витаминную промышленность.
Витамины необходимы для нормальной жизнедеятельности не только жи-
вотных и человека, но также высших растений и микроорганизмов. Так, корни
растений не могут нормально развиваться без некоторых витаминов. Микро-
организмы для своего нормального развития и роста также требуют наличия в
питательной среде многих витаминов. В настоящее время некоторые микроорга-
низмы применяются для обнаружения и количественного определения витаминов.
Имеется тесная связь между витаминами и катализаторами химических превра-
щений в организме — ферментами. Многие витамины, соединяясь со специфи-
ческим белком, образуют ферменты. Таким образом, заболевание, вызываемое
недостатком в пище того или иного витамина, является следствием того, что
в организме недостаточно активен соответствующий фермент, катализирующий
определенное звено биохимических превращений, составляющих обмен веществ.
Точно так же задержка роста растительной ткани или микроорганизма при недо-
статке какого-либо витамина объясняется низкой активностью соответствующего
фермента, в состав которого входит этот витамин.
Рассмотрим строение и свойства наиболее важных витаминов. Витамины мо-
гут быть разделены по признаку растворимости на две большие группы — вита-
мины, растворимые в жирах, и витамины, растворимые в воде.
ВИТАМИНЫ, РАСТВОРИМЫЕ В ЖИРАХ
Группа витаминов А. Витамины группы А — производные каротина. Так же,
как и каротин, они нерастворимы в воде, но растворяются в различных жировых
растворителях и жирах. Отсутствие в пище витаминов группы А сказывается
в нарушении роста, понижении стойкости к заболеваниям и ослаблении зрения,
называемом куриной слепотой. Витамины группы А образуются и встречаются
исключительно в тканях животных и продуктах животного происхождения, в
растениях они отсутствуют. Однако образуются эти витамины из каротиноидов,
широко распространенных в растениях. Тесная связь между каротином и вита-
69
минами группы А была выяснена как в результате опытов на животных, так и в
результате исследования их химической структуры. Установлено, что витамин
А образуется в животном организме из каротина под действием особых фермен-
тов. Эти факты свидетельствуют, что каротин представляет собой провитамин А.
Поэтому витаминная промышленность изготовляет очищенные препараты ка-
ротина для обогащения ими различных пищевых продуктов.
Наиболее богатым источником витаминов группы А является рыбий жир
и особенно жиры, содержащиеся в печени некоторых рыб и морских животных:
акулы, трески, палтуса, кита, моржа, тюленя, белухи.
Витамин Alf как это видно из приведенной ниже формулы, представляет
собой половину молекулы (3-каротина (см. с. 253), содержащую спиртовую
группу:
н3сх/сн3
С СН3 СН3
Н2С С—СН=СН—С=СН—СН=СН—С=СН—СН2ОН
I II
Н2С с—сн3
Витамин At
Из одной молекулы (3-каротина могут образоваться две молекулы витамина
АР Что же касается а- и у-каротинов, то из приведенных далее формул (см.
с. 253) видно, что они могут образовать лишь по одной молекуле витамина Ар
Именно поэтому (3-каротин вдвое активнее, как провитамин А, чем а- и у-ка-
ротины.
Витамин А2 был открыт в печени пресноводных рыб сотрудниками Все-
союзного витаминного института В. Розановой и Э. Ледерером. Витамин А2
отличается от витамина А4 своей эмпирической и структурной формулами. Эм-
пирическая формула витамина Ах—С20Н30О; витамина А2 — С20Н28О. Ниже при-
ведена структурная формула витамина А2:
Н8С СН
3
с сн3 сн3
Н^^С— СН=СН—С=СН—сн=сн—с=сн—СН2ОН
I II
НС с—сн3
Витамин Az
Из сопоставления структурных формул видно, что витамин А2 содержит
шесть двойных связей, в то время как витамин А4 — пять.
Содержание витамина А в пищевых продуктах выражается в так называе-
мых интернациональных единицах. Одна такая единица витамина А представляет
собой 0,6 микрограмма (мкг) чистого (3-каротина (провитамина А)1.
1 г чистого каротина содержит 1 670 000, а 1 г чистого витамина Ах —
3 300 000 интернациональных единиц.
1 Один микрограмм (мкг) равен 0,001 мг.
70
Содержание витамина А (каротина) в некоторых продуктах
Витамин А
(каротин),
Продукт микрограммы
на 1 г
Растительные масла ................................ О
Картофель.......................................... О
Пшеница, пшеничная мука, хлеб............... О—0,2
Мясо и птица...................................... 0,04
Рыба ............................................. следы
Молоко летнее...................................... 1
Масло сливочное................................... 12
Абрикосы........................................... 20
Томаты............................................. 20
Салат и шпинат................................... 25—50
Морковь красная ................................... 90
Листья люцерны..................................... 100
Жир из печени трески............................... 300
» » » акулы............................... 750
» » » морского окуня ..................... 900
» » » кашалота.......................... 60000
Наиболее важными источниками витамина А в пище человека являются ли-
стовая зелень (салат, шпинат, зеленый лук и др.), морковь, томаты, а также сли-
вочное масло и яичный желток. Необходимо отметить, что зимой молоко, сливоч-
ное масло и яйца во много раз беднее витамином А, чем те же продукты летом.
Это объясняется высоким содержанием каротина в зеленых кормах. Витамин А
в чистом виде легко разрушается при окислении и при восстановлении (особенно
при нагревании).
Группа витаминов D. Недостаточное содержание в пище этих витаминов
приводит к возникновению рахита. Они нерастворимы в воде, но растворяются
в жирах. Витамины группы D встречаются только в животном организме. В ра-
стениях содержатся стеролы, из которых под влиянием облучения ультрафиоле-
товыми лучами образуются витамины группы D. Наиболее важным из этих сте-
ролов является эргостерол (см. с. 256), содержащийся в большом количестве
в дрожжах и плесневых грибах, используемых в качестве исходного продукта
при промышленном получении витамина D. Из эргостерола при облученци его
ультрафиолетовыми лучами образуется витамин D2; из гидрированного эрго-
стерола (дигидроэргостерола) при этом образуется витамин D4, а из 7-дегидро-
холестерола — витамин D3. Поскольку витамины группы D образуются из
стеролов под влиянием облучения ультрафиолетовыми лучами, эти стеролы на-
зывают провитаминами D. Ниже мы приводим структурную формулу вита-
мина D2;
СН3 СН
Гтт I
>н2|
Н2с\ ?Нг ? С**2 СНз
H2CL||i СН2^.СН—сн2
И СН2^СН Витамин D2
Из сопоставления структурных формул витамина D2 и эргостерола (см.
с. 256) видно, что при облучении последнего ультрафиолетовыми лучами проис-
71
ходит разрыв одного из содержащихся в его молекуле ароматических колец
(место разрыва обозначено стрелкой).
Наиболее богатыми источниками витаминов группы D являются рыбий жир,
печень млекопитающих и птиц.Витамины D содержатся также в молоке,сливочном
маслен в яичных желтках. Летом молоко и полученное из него сливочное масло
значительно богаче витаминами D, чем зимой. Это объясняется более интен-
сивным образованием витаминов D из стеролов под воздействием ультрафиолето-
вых лучей солнечного света в летнее время.
Содержание витаминов группы D в некоторых пищевых продуктах показано
ниже:
Продукт
Витамин D, микро-
граммы на 100 г
продукта
Жир из печени трески.............................. 125
Печень животных......................... 0,2—1,2
Масло сливочное (летом)........................... 1—2
» » (зимой).................... 0,3—0,5
Молоко.................................. 0,02—0,1
Яичный желток (зимой)............................ 3,5
» » (летом)............................ 12,5
Зеленые части растений............................. 0
Масло растительное................................. 0
» » (после облучения ульт-
рафиолетовыми лучами) .................. 25—50
Пивные дрожжи (сухие, после облучения
ультрафиолетовыми лучами) ............... 12 500—25 000
Витамин Е (токоферол). Недостаток витамина Е в кормах приводит к нару-
шениям половой функции животных: у самцов происходит нарушение образова-
ния спермиев и перерождение семенных желез, а у самок наблюдаются бесплодие
или преждевременные роды, а также нервномышечные расстройства у приплода.
Витамин Е представлен четырьмя изомерами, получившими название а-, |3-, у-
и б-токоферолов. Ниже приведена структурная формула физиологически наибо-
лее активной формы витамина Е — а-токоферола. Наиболее богаты витамином
Е зародыши злаков и зеленые листья растений
СН3
НО—СГ ^С<^СН2 СНз сн, сн3
Н3С—(L ^с—(сн2)—сн—(сн2)—сн—(сн2)—сн—сн3
лз о I
| СНз
сн3
а-Токоферол
Витамин Е имеет большое значение для животноводства. Прибавление этого
витамина к корму дает возможность резко снизить эпидемической аборт у коров
и устранить заболевание молодняка птиц энцефаломиелитом, приводящим к рас-
стройству движений и параличу. Токоферолы предохраняют растительные масла
от окисления и прогоркания (как антиокислители).
Приведем данные о содержании витамина Е в продуктах растительного
происхождения:
72
Витамин Е, микрограм-
Продукт мы на 1 г продукта
Зерно пшеницы ................................. 9,0
Мука пшеничная высшего сорта.......... 0,3
» » 1-го сорта......................... 2,2
Отруби мелкие ........................ 32,0
» крупные.................................. 3,0
Пшеничные зародыши.................... 150—300
Масло из пшеничных зародышей.......... 1500—3000
» хлопковое ....................... 400—500
» подсолнечное .................... 350—420
Группа витаминов К. Под этим названием объединяется группа так назы-
ваемых антигеморрагических факторов, необходимых для нормального сверты-
вания крови. Эти витамины широко распространены в продуктах растительного
и животного происхождения. Они растворимы в большинстве органических
растворителей, но нерастворимы в воде. Лучшими источниками витаминов К
являются зеленые части растений.
По своей химической природе витамины группы К представляют собой
производные нафтохинона. Витамин f(i, содержащийся в зеленых листьях
(хлоропластах), имеет следующую структуру:
сн г
'С—сн3
СНг—СН=С—СН2—СН2—СН2-СН—СН2—СН2-СН2—СН—сн2—сн2—сн2—сн—сн3
<!:н3 <!:н3 сн3 сн3
Витамин К]
Длинная боковая цепь витамина Ki является остатком высокомолекуляр-
ного алифатического спирта фитола, входящего в состав хлорофилла. Витамин
Ki (филлохинон) катализирует образование специфического белка — протром-
бина, необходимого для свертывания крови при повреждении ткани. Этот вита-
мин играет важную, но пока неясную роль в процессе фотосинтеза.
ВОДОРАСТВОРИМЫЕ ВИТАМИНЫ
Витамин Bi (аневрин, тиамин). Ранние симптомы недостатка витамина В4
заключаются в нарушениях нервной системы — недостаточной концентрации
внимания, быстрой умственной и физической утомляемости, легкой возбудимости,
плохом аппетите. Вместе с этим наблюдается падение веса. При этом повышается
содержание пировиноградной кислоты в крови и моче. При дальнейшем развитии
болезни наблюдаются болевые ощущения в ногах, заболевание периферической
нервной системы (полиневрит), параличи, одышка. В странах юго-восточной
Азии полиневрит получил название болезни бёри-бёри. Заболевание распростра-
нено в Японии, Индии, Индонезии и Индокитае среди беднейших слоев населения,
питающихся главным образом полированным рисом, в котором содержание вита-
мина Bi ничтожно.
Богаты витамином Вх пшеничные и рисовые отруби, зародыши злаков, внут-
ренние органы животных (печень, почки и сердце). Особенно богаты витамином
Bi дрожжи. Витамин Вх в чистом кристаллическом виде имеет форму мелких
бесцветных кристалликов, обладающих горьким вкусом, легко растворяющихся
в воде. В кислой среде витамин ВА стоек к нагреванию и кипячению, но очень
легко разрушается при нагревании в нейтральной и особенно в щелочной среде.
Вследствие этого витамин Вх мало разрушается при обработке пищевых продук-
73
тов теплом, например при варке пищи или выпечке хлеба; чрезвычайно быстро
он разрушается при выпечке кондитерских мучных изделий, изготовляемых на
щелочных разрыхлителях (сода или углекислый аммоний). Структурная фор-
мула витамина Вх имеет следующий вид:
сн,— jf—с-сн,
н3с—с ^сн Н3С—2—сн2—СН2ОН
N S
Витамин Bj
Разработаны методы синтетического получения витамина ВР
Витамин Вх играет важную роль в процессах превращения углеводов в ор-
ганизме животных, растений и микроорганизмов, так как он входит в состав фер-
мента пируватдекарбоксилазы, расщепляющего образующуюся при диссимиля-
ции углеводов пировиноградную кислоту СН3СОСООН. Поэтому недостаток
витамина Вх в пище человека приводит к накоплению пировиноградной кислоты
в крови и тканях. Витамин Вх входит в состав пируватдекарбоксилазы в виде
своего фосфорнокислого эфира тиаминпирофосфата, имеющего сле-
дующую структуру:
Т иам инпироф осф ат
ОН
Фосфорнокислый эфир витамина Вь соединяясь со специфическим белком,
образует пируватдекарбоксилазу, расщепляющую пировиноградную кислоту
на уксусный альдегид и СО2. Тиаминпирофосфат входит также в состав комплекса
ферментов, катализирующих окислительное декарбоксилирование кетокислот
(см. с. 212).
Содержание витамина Bi в пищевых продуктах обычно выражают в мкг/г
продукта:
Витамин Вх, микро-
Продукт граммы на 1 г продукта
Пшеничные зародыши ............... . 15,6—62
Пшеница ............................. 4,5—6,0
Мука пшеничная обойная............... 5,2
» » 85% выхода ........... 4,1
» » 72% » ......... 1,9
» » 30% » ......... 0,7
» ржаная обойная................... 3,5—4,7
Отруби пшеничные..................... 8,0—10,0
» рисовые........................ 11,0—15,0
Печень и почки....................... 5,0—6,3
Говядина и баранина ................. 1,7—2,0
Рыба ................................ 0,6—1,2
Свежие фрукты и овощи................ 1,0—2,0
74
Картофель........................... , 0,9
Дрожжи хлебопекарные сухие..................... 30
» пивные................................... 50
Таким образом, наиболее важным источником витамина В4 в нашей пище
являются зерновые продукты, содержащие частицы отрубей и зародыша.
Витамин В2 (рибофлавин). Недостаток рибофлавина в пище вызывает на-
рушение аппетита, падение веса, слабость, резь в глазах, болезненные ощущения
5 слизистых оболочках рта. Рибофлавин, так же как и тиамин, растворяется
5 воде.
В рибофлавине азотистое основание (6,7-диметилизоаллоксазин) связано
с остатком многоатомного спирта D-рибита, образующегося при восстановлении
сахара D-рибозы (см. с. 159).
Рибофлавин в соединении с фосфорной кислотой входит в состав ряда фер-
ментов, играющих важную роль в обмене веществ. Соединение рибофлавина
с фосфорной кислотой называют флавинмононуклеотидом.
Флавинмононуклеэтид является активной группой окислительно-восстано-
вительных ферментов, участвующих в переносе водорода (см. с. 109). Эта ак-
тивная группа приобретает каталитические свойства лишь после соедине-
ния со специфическим белком. В растительных и животных организмах рибо-
флавин содержится как в свободном виде, так и в виде фосфорнокислого
эфира.
Флавинмононуклеотид может соединяться с молекулой адениловой кислоты.
При этом образуется флавинадениндинуклеотид, который в соединении с раз-
личными белками образует целый ряд окислительно-восстановительных фер-
ментов (см. с. НО).
Таким образом, нарушения обмена веществ, возникающие при недостатке
рибофлавина, объясняются замедленным синтезом тех окислительно-восстано-
вительных ферментов, в состав которых он входит.
Наиболее богаты рибофлавином дрожжи, печень, почки, сердце.
Исключительной способностью синтезировать витамин В2 обладает грибок
Eremothecium ashbyii. Он образует так много рибофлавина, что последний
выделяется в мицелии в виде кристаллов. Eremothecium ashbyii используется для
промышленного производства рибофлавина.
75
Содержание рибофлавина в'различнйх пйхЦеЬйх" продуктах таково:
Продукт - <• г- Рибофлавин,
микрограммы на
1 г продукта
Сухие пивные дрожжи................................ 30
» пекарские дрожжи............................... 40
Печень быка................................. 10—25
Почки быка ...................................... 10—20
Молоко...................................... 1
Яичный желток............................... 2,5—4
Овощи....................................... 0,1 —0,5
Пшеница..................................... 0,5—1,7
Пшеничные зародыши................................. 0,6
Рожь............................................... 1,8
Картофель . . . .......................... 0,3—0,9
Необходимо отметить, что весьма низким содержанием рибофлавина отлича-
ется пшеничная и ржаная мука высших сортов. Практически наиболее важным
источником рибофлавина в нашей пище являются молоко и зеленые овощи.
Витамин В6 (пиридоксин). Отсутствие или недостаток витамина В6 в пище
приводит к нарушениям белкового обмена и синтеза жиров в животном организ-
ме. Витамин В6 растворим в воде. Приводим структурную формулу витамина В6:
СН2ОН
НО—С С—СН2ОН
I II
сн3—с сн
Роль витамина В6 в обмене веществ заключается в том, что его альдегидное
производное в виде фосфорнокислого эфира входит в состав ферментов, катали-
зирующих различные превращения аминокислот, в частности их декарбоксили-
рование (расщепление с выделением углекислого газа), а также реакцию пере-
аминирования (см. с. 123). При авитаминозе В6 отмечают также глубокие нару-
шения в синтезе и обмене аминокислоты триптофана.
Наибольшим содержанием витамина В6 отличаются дрожжи, рисовые отру-
би, пшеничные зародыши:
Продукт Витамин Ве,
микрограммы на
1 г продукта
Дрожжи сухие...................................... 50
Пшеничные зародыши................................ 16
Пшеница ................................... 3—6
Рисовые отруби ................................... 20
Рис полированный ................................. 1,6
Говядина........................................... 5
Молоко........................................... 1,3
Яйца (желток)..................................... 4,5
Треска............................................ 3,4
Витамин РР (никотиновая кислота). Отсутствие или недостаток никотино-
вой кислоты в пище приводит к заболеванию, которое называется пеллагра.
Характерными симптомами этой болезни являются поражения кожи, поносы,
психические расстройства. Пеллагра встречается среди беднейших слоев населе-
ния Италии, США и Африки.
Никотиновая кислота содержится в организме, по-видимому, главным об-
разом в виде своего амида.
76
Строение никотиновой кислоты и ее амида показано ниже:
СН
НС с—соон
I II
НС сн
/
N
Никотиновая кислота
сн
нс%—conh2
I II
НС сн
Амид никотиновой кислоты
Физиологическая роль никотиновой кислоты заключается в том, что в виде
амида она входит в состав окислительно-восстановительных ферментов дегидро-
геназ, катализирующих отнятие водорода от окисляющихся при этом органиче-
ских веществ (см. с. 107). Далее этот водород данные ферменты передаютокисли-
тельно-восстановительным ферментам, в состав которых входит рибофлавин.
Некоторое количество никотиновой кислоты может синтезироваться в орга-
низме из триптофана. Недостаточное потребление витамина В6, приводящее
к нарушениям в синтезе и обмене триптофана, нарушает также нормальное тече-
ние синтеза никотиновой кислоты, поэтому пеллагра легче возникает при недо-
статке в пище триптофана, например при преобладании в пище кукурузной муки,
белки которой бедны триптофаном.
Наиболее богаты никотиновой кислотой дрожжи, отруби, пшеничные за-
родыши и внутренние органы животных (печень, почки):
Продукт
Никотиновая
кислота (и ее
амид), микрограм-
мы на 1 г продук-
та
Мясо....................................... 50—60
Дрожжи..................................... 300—400
Пшеница.................................... 45—63
Мука высшего сорта......................... 10
Отруби..................................... 50
Пшеничные зародыши......................... 27—90
Кукуруза................................... 15
Картофель . . . ........................... 5—20
Пантотеновая кислота. В состав пантотеновой кислоты входит в качестве
составной ее части остаток р-аланина (отмечен пунктиром), связанный с диметил-
о ксимасл я ной кислотой:
СН3 ОН
I I
НО—СН2—С-----СН—СО—NH—СНо—сн2—соон
I ...................
СНз
Пантотеновая кислота
Недостаток пантотеновой кислоты вызывает у животных задержку роста,
поражения кожи, нарушения деятельности нервной системы и желудочно-кишеч-
ного тракта. Пантотеновая кислота входит в состав кофермента А, при участии
которого происходят активирование и перенос образующихся в организме
остатков уксусной кислоты и других кислотных остатков (ацилов), синтез лимон-
ной кислоты, жирных кислот, стеролов, глицеридов и многих других соединений
(см. с. 213). В животных тканях и клетках бактерий большая часть пантотено-
вой кислоты содержится именно в виде кофермента А:
77
остаток
фосфата остаток пантотеновой кислоты остаток тиоэтиламина
t---\ ('*---------------------------( 74
О СН3 ОН
III
Н О— Р—О—С Н2—С—С—С О—NH—с н2—С Н2—С О—N н—с н2—С Н2— S-t-H
сн,н
или ОССН3
<________________________________________________) (или другой
7 7^ ацил)
остаток фосфопантетеина
О
остаток аденозин-З', 5'-дифосфата
Кофермент А кроме аденозин-3',5'-дифосфата включает в себя фосфат, пан-
тотеновую кислоту и тиоэтиламин, образующие остаток фосфопантетеина. Водо-
род в группе SH кофермента А может быть замещен каким-либо ацилом, например
ацетилом СН3СО—, малонилом НООС—СН2СО—, сукцинилом
НООС—СН2—СН2СО— или же остатком какой-либо жирной кислоты.
Биотин (витамин Н). Он является важным фактором роста для дрожжей
и некоторых микроорганизмов. Недостаток биотина в диете приводит к пораже-
ниям кожи, выпадению волос и поражению ногтей.
Биотин имеет следующее строение:
СО
HN/XNH
I I
НС—сн
I I
Н2С СН—СН2—СН2—СН2-СН2—СООН
Приводим содержание биотина в различных пищевых продуктах:
Продукт Биотин, микрог-
раммы на 1 г
продукта
Пшеница (зерно)............................ 0,05
Пшеничная мука 1-го сорта....................... 0,007
Дрожжи пивные ............................. 0,07
Картофель ...................................... 0,036
Печень быка................................ 0,96—1,12
.Мясо...................................... 0,01—0,2
Яйца....................................... 0,09
Молоко..................................... 0,01—0,03
78
По-видимому, главным источником биотина для животных и человека яв-
ляется бактериальная микрофлора желудочно-кишечного тракта. В яичном белке
содержится вещество, получившее название авидина, которое образует с биоти-
ном нерастворимый в воде и биологически неактивный комплекс. Поэтому, если
животное кормить большим количеством сырого яичного белка, то оно заболевает,
обнаруживая типичные признаки недостаточности биотина. Авидин получен в
кристаллическом виде и представляет собой гликопротеид.
Имеющиеся данные о роли биотина в обмене веществ у микроорганизмов
показывают, что этот витамин принимает участие в превращениях некоторых
аминокислот (аспарагиновой кислоты, серина и треонина).Биотин входит в состав
активной группы ферментов, катализирующих процесс карбоксилирования жир-
ных кислот, т. е. присоединения СО2, которое сопровождается удлинением угле-
родной цепочки жирной кислоты (см. с. 260).
Инозит, так же как и биотин, является важным фактором роста для дрож-
жей. Недостаток инозита в диете крыс и мышей вызывает у них остановку роста
и выпадение шерсти. Среди ряда изомеров инозита (см. с. 290) биологической
активностью обладает лишь мио-инозит:
н он
•н н
Мио-инозит играет важную роль в качестве предшественника уроновых кислот,
входящих в состав клеточной стенки растений (см. с. 161).
Мио-инозит, соединяясь с шестью молекулами фосфорной кислоты, образует
инозитфосфорную кислоту, которая в виде своей кальций-магниевой соли носит
название фитина. Последний чрезвычайно широко распространен в растениях.
Особенно много фитина содержится в отрубях и в хлопчатниковом жмыхе, из
которого фитин получают заводским путем.
О—ро—(ОН)2
(ОН)2ОР-О—СН СН—О—РО(ОН)2
(ОН)2ОР—О—СН СН—О—РО(ОН)2
сн
О—РО(ОН)2
Инозитфосфорная кислота
Пара-ашшобгнзойная кислота. Этот витамин необходим для роста и
обеспечения выживаемости молодых животных. Пара-аминобензойная кислота
является важным фактором роста для многих микроорганизмов, в том числе
и для тех, которые населяют кишечник животных и способны к синтезу ряда
витаминов, усваиваемых в той или иной мере организмом хозяина. С этим не-
прямым способом ее действия, по-видимому, и связано ее стимулирующее влияние
на рост молодых животных и птиц. В растениях и животных тканях пара-амино-
бензойная кислота главным образом связана с белками, полипептидами и амино-
кислотами, а также содержится в виде ацетильного производного. Весьма важным
79
соединением, в состав которого входит пара-аминобензойная кислота, является
водорастворимый витамин, получивший название фолиевой кислоты.
СООН
С
НС сн
I
нс сн
V
I
nh2
Пара-аминобензойная кислота
Фолиевая кислота. Такое название было дано потому, что этот витамин был
выделен из листьев (латинское folium). Физиологическое действие фолиевой ки-
слоты особенно хорошо изучено на различных животных и некоторых микроорга-
низмах (Lactobacillus casei, Streptococcus faecalis), для которых она является
важным фактором роста. Недостаток фолиевой кислоты в пище цыплят и индю-
шат вызывает задержку роста, анемию и слабое развитие оперения; у обезьян
авитаминоз проявляется в заболевании тяжелой формой лейкопении (недостаток
в крови белых кровяных телец). Фолиевая кислота оказывает благоприят-
ное терапевтическое действие при лечении некоторых тяжелых форм анемии че-
ловека.
Основными источниками фолиевой кислоты являются различные листовые
овощи, печень и дрожжи. Из всех плодов и овощей наиболее богата фолиевой
кислотой земляника и, вероятно, этим объясняется известнее с давних пор ее
благоприятное действие при малокровии.
Фолиевая кислота состоит из остатков глютаминовой кислоты, пара-амино-
бензойной кислоты и 2-амино-4-окси-6-метилптерина:
N=C—NH2
CH-CII HC=N—с N
НООС—СИ—СН — СН—NH—С—\с—NH—СН2—C=N—С—С—ОН
iooH о сн=(л1
к________м_______________Л _____________/
Остаток глютаминовой Остаток пара-амино- Остаток 2-амино-4-окси-
кислоты бензойной кислоты -6-метилптерина
Таким образом, фолиевая кислота является витамином, для синтеза кото-
рого необходим другой витамин — пара-аминобензойная кислота и физиологи-
чески активное соединение — глютаминовая кислота.
В тканях растений и животных фолиевая кислота находится не в форме
изображенного выше соединения, содержащего один остаток глютаминовой кис-
лоты, а обычно в виде его производных, включающих три или семь остатков
глютаминовой кислоты. Различные формы фолиевой кислоты обладают раз-
личной физиологической активностью в отношении разных видов микроорга-
низмов.
Участие фолиевой кислоты в обмене веществ заключается в том, что она в вос-
становленной форме (тетрагидрофолиевая кислота) является необходимой состав-
ной частью (коферментом) ряда ферментов, катализирующих активирование и
перенос групп, содержащих один углеродный атом: остатков формальдегида —
80
СОН, муравьиной кислоты — СООН, метильных — СН3- и оксиметильных •—
СН2ОН-групп.
Эти соединения можно считать исходным материалом для биосинтеза пу-
риновых оснований, некоторых пиримидиновых оснований и некоторых амино-
кислот (серина, гистидина и метионина).
Липоевая кислота (тиоктовая кислота, протоген). Липоевая кислота
представляет собой циклический дисульфид, имеющий следующее строение:
хн-
Н2С сн-сн2—сн2—сн2—сн2-с
М Хон
Липоевая кислота
Липоевая кислота играет весьма важную роль в обмене веществ животных
и микроорганизмов. В частности, она входит в состав коферментов окислитель-
ного декарбоксилирования а-кетокислот (например, пировиноградной и а-кето-
глютаровой). Опыты, проведенные с микроорганизмом Escherichia coli, пока-
зали, что в коферменте окислительного декарбоксилирования а-кетокислот ли-
поевая кислота связана амидной связью с тиаминпирофосфатом. Высказываются
также соображения о важной роли липоевой кислоты в процессе фотосинтеза.
Витамин Р (цитрин). Комплекс ряда веществ, укрепляющих стенки ка-
пиллярных сосудов. К веществам, обладающим Р-витаминной активностью,
относят широко распространенные в растительном мире гликозиды — рутин
и гесперидии (см. с. 297), а также таннин чайного листа и винограда. Чрезвы-
чайно высокой Р-витаминной активностью обладают концентраты, получаемые
из ягод черной смородины.
Витамин В12. Этот витамин чрезвычайно эффективен при лечении различных
форм анемии, в том числе так называемой злокачественной анемии, представ-
ляющей собой весьма тяжелое заболевание. В качестве кроветворного фактора
витамин В12 примерно в 1000 раз более эффективен, чем фолиевая кислота. Весь-
ма важным свойством витамина Bi2 является также его способность повышать
использование организмом растительных белков (приближает их по пищевой
ценности к животному белку).
Витамин В12 не содержится в продуктах растительного происхождения и в
дрожжах. Главным его источником в пище человека являются животные про-
дукты, особенно печень и почки. Травоядные животные снабжаются витамином
В12 за счет микрофлоры пищеварительного тракта, особенно рубца. Человек
также частично получает витамин Bi2 за счет микрофлоры кишечника. По-види-
мому, единственными организмами, способными к биосинтезу витамина Bi2, яв-
ляются некоторые микроорганизмы.
Витамин В12 объединяет группу веществ, которые являются комплексными
соединениями трехвалентного кобальта. Кристаллы витамина Bi2 имеют кра-
сный цвет вследствие наличия в его молекуле кобальта.
Важнейшим представителем группы веществ, объединяемых названием
витамин В12, является цианокобаламин, строение которого схематически может
быть представлено следующим образом:
rR-R- CN“1
Со+++
RRR J
По А. Тодду и Д. Ходчкин, формула витамина В12 (цианокобаламина)
следующая:
81
Другие представители группы витамина В12 отличаются от цианокобаламина
тем, что вместо группы CN~ содержат молекулу воды (аквокобаламин) или моле-
кулу аммиака (кобалихром):
R-R-
Со3+
RRR
Н2СЛ+
Аквокобаламин
[R-R- NH3-|*
Со3+
.RRR
Кобалихром
Особый физиологический интерес представляют кобалихромы, в состав ко-
торых вместо аммиака могут входить различные аминокислоты, пептиды и белки.
Помимо цианокобаламина и указанных его производных существует ряд
аналогов витамина В12, отличающихся тем, что вместо 5,6-диметилбензимидазола
в нуклеотидную часть витамина Bi2 включены те или иные пурины (аденин, ме-
тиладенин, метилгипоксантин и др.). Эти аналоги совершенно неактивны для че-
ловека и животных, но активны для тех или иных микроорганизмов. Роль вита-
мина В12 в обмене веществ заключается в том, что он участвует в син тезе метиони-
на и диссимиляции ряда аминокислот и пиримидинов.
Витамин С (аскорбиновая кислота). Недостаточное содержание витамина С
в пище приводит к возникновению цинги. Аскорбиновая кислота широко распро-
странена как в растениях, так и в животных тканях. Организм человека, обезь-
яны и морской свинки не способен синтезировать аскорбиновую кислоту и дол-
жен получать ее в готовом виде с пищей; другие животные способны самостоя-
тельно синтезировать этот витамин.
Важная роль аскорбиновой кислоты и ее участие в окислительно-восстано-
вительных процессах, происходящих в живой клетке, связаны с тем, что витамин
существует в двух формах — собственно аскорбиновой кислоты и легко образую-
щейся из нее при окислении дегидроаскорбиновэй кислоты; последняя при вос-
становлении снова дает аскорбиновую кислоту. Взаимные превращения вита-
мина С показаны ниже!
82
с=о
(L-OH I
с—он 9
н-с________।
I
но-с-н
I
СН2ОН
L-Аскорбиновая кислота
с=о
Iх—i
-2Н* С~°
+2Н+ 9=О |
Н—С-------1
I
но-с-н
СН2ОН
> Дегидроаскорбиновая кислота
Взаимопревращения аскорбиновой и дегидроаскорбиновой кислот в расти-
тельном организме теснейшим образом связаны с ферментативными взаимо-
превращениями окисленного и восстановленного глютатиона.
Как аскорбиновая, так и дегидроаскорбиновая кислоты физиологически
активны и предохраняют от цинги. Аскорбиновая кислота представляет собой
бесцветные кристаллики кислого вкуса, хорошо растворяется в воде, легко раз-
рушается в растворах, особенно в присутствии воздуха, света и следов меди или
железа. Аскорбиновую кислоту на витаминных заводах получают в настоящее
время синтетически из глюкозы.
Недостаточно ясен вопрос о химизме образования аскорбиновой кислоты
в растениях (см. с. 194).
Наиболее богаты витамином С плоды шиповника, незрелые грецкие орехи,
черная смородина, капуста, хвоя:
Продукт Витамин С,
миллиграммы на
100 г продукта
Печень и селезенка............................
Мышцы ........................................
Молоко........................................
Кумыс.........................................
Яйца . . .....................................
Капуста белокочанная..........................
Укроп ........................................
Лук-репка.....................................
Лук-перо......................................
Карто(}юль молодой............................
Картофель лежалый.............................
Перец ........................................
Плоды шиповника (северные) ...................
Лимон ........................................
Мандарин......................................
Яблоки северные...............................
Яблоки южные..................................
Виноград........................................
Томаты........................................
Орехи грецкие незрелые........................
Смородина черная .............................
, Смородина красная...........................
1 Хвоя ели и сосны............................
Зерна злаков непроросшие......................
20—50
0,9
0,7-2,6
20-25
0
30-40
135
2—10
16,5—33
20-40
7-10
ЮО—400
2000—4500
55
25—45
20—40
5—17 (и менее)
0,4-12
20—40
до 3000
100—400
8—16
150—250
0
I
Таким образом, особенно важными источниками антицинготного витамина
в пище являются овощи, в первую очередь картофель и капуста. При варке пищи,
а также сушке и консервировании плодов и овощей витамин С может легко раз-
рушаться в результате окисления, которое ускоряется следами железа или меди,
и особенно сильно—окислительными ферментами. Эти ферменты проявляют свое
действие при очистке и измельчении овощей, при лежании продуктов в нарезан-
83
ном виде и при закладке их в холодную воду; при этом медленное повышение
температуры способствует энергичному действию окислительных ферментов
и разрушению витамина С. Таким образом, наиболее правильно варить овощи,
опуская их сразу в кипящую воду, а еще лучше на пару. При сушке овощей раз-
рушение витамина С под действием окислительных ферментов может достигать
очень больших величин. Поэтому для инактивации этих ферментов нарезанные
овощи перед сушкой подвергают так называемой бланшировке, которая за-
ключается в быстрой их обработке кипящей водой или паром. Инактивирование
разрушающих витамин С окислительных ферментов может быть также произве-
дено путем сульфитации нарезанных овощей, заключающейся в обработке их
сернистым газом.
В растениях, принадлежащих к семейству Brassicaceae — различных видах капусты,
редьки, рапса и редиски, наряду со свободной аскорбиновой кислотой содержится ее свя-
занная форма — аскорбиген. Это вещество, при гидролизе которого образуется свободная
аскорбиновая кислота, представляет собой соединение этой последней с индольной группой.
Строение аскорбигена соответствует одной из приведенных ниже формул:
Обмен аскорбигена в растениях, по-видимому, теснейшим образом связан с обменом
триптофана и стимуляторов роста растений, подобных индолилуксусной кислоте (см. с. 330).
АНТИВИТАМИНЫ
В процессе исследования химической природы и биологического действия
витаминов было установлено, что существует целый ряд веществ, инактивирую-
щих витамины и оказывающих на организм действие, противоположное дейст-
вию последних. Такие вещества получили название антивитаминов. По строе-
нию и свойствам многие антивитамины весьма близки к соответствующим вита-
минам. Типичным примером подобного антивитамина, представляющего собой
структурный аналог соответствующего витамина, являются стрептоцид и ана-
логичные ему сульфаниламидные препараты. Как видно из сопоставления фор-
мул пара-аминобензойной кислоты и стрептоцида, эти соединения весьма близки
по своему химическому строению:
СООН
I
С
НС сн
I II
НС сн
с
I
nh2
Пара-аминобензойная кислота
so2 • nh2
I
с
нс^сн
II
НС сн
I
nh2
Стрептоцид
Пара-аминобензойная кислота является важным фактором роста для некото-
рых микробов (с. 79). Угнетающее действие на них стрептоцида и других сульф-
84
аниламидных препаратов объясняется тем, что эти препараты, весьма сходные
с пара-аминобензойной кислотой, вступают вместо нее в соединение с ферментом
или другим веществом, с которым в процессе обмена веществ обычно реагирует
пара-аминобензойная кислота.
Точно так же аналог никотиновой кислоты — пиридин-3-сульфокислота —
угнетает рост некоторых бактерий, причем угнетающее действие может быть сня-
то никотиновой кислотой:
СН
НС С—СООН
I II
НС СН
Никотиновая кислота
СН
НС^—SO3H
I II
НС сн
¥
Пиридин-З-сульфокислота
Найдена целая группа антивитаминов, угнетающих рост тех микроорганизмов, кото-
рые нуждаются в пантотеновой кислоте.
Как видно из приводимых ниже формул некоторых из этих антивитаминов, они яв-
ляются структурными аналогами пантотеновой кислоты:
н3с
Пантотеновая кислота НО—Н2С—С—СН—CONH—СН2—СН2—СООН
Н3С ОН
Н3С^
Пантоилтау рин НО—Н?С—С—СН—CONH—СН2—СН2—SO3H
/ I
Н3с он
Н3С
Пантоилтау рамид НО—Н2С—С—СН—CONH—СН2—СН?—SO2NH2
/ I
Н3С он
Н3С
Гомопантоилтаурин НО—Н2С—С—СН—СН2—CONH—СН2—СН2—SO8H
/ I
Н3С он
Аналогом и антивитамином тиамина является пиритиамин, он отличается от тиамина
тем, что атом серы замещен группой —СН=СН—:
СН3
I
С=--С—СН2-СН2ОН
N
Рен—s
Вг
Тиамин
N=C-NH2 • НВг
I I
сн3—с с—сн2-----
II II
N-CH
сн3
I
с=с-сн2-СН2ОН
N \н
Вг^СН— сн
Пиритиамии
85
Кормление мышей небольшими дозами пиритиамина вызывает у них появление ти-
пичных признаков авитаминоза Bi, которые проходят при скармливании животным соот-
ветствующих количеств витамина.
В настоящее время найден ряд структурных аналогов — антагонистов рибо-
флавина, пиридоксина, биотина, фолиевой кислоты, а также витаминов С, К и Е.
Характерной особенностью подобных антивитаминов является то, что их
угнетающее действие сказывается лишь на тех организмах, для нормального
роста и жизнедеятельности которых необходим соответствующий витамин. Так,
микроорганизмы, для роста которых необходим тиамин, угнетаются чрезвычайно
малыми количествами пиритиамина; на микробов, которые нуждаются лишь в
пиримидиновой или тиазоловой части молекулы тиамина, пиритиамин действует
в 10 раз слабее, а на бактерий, совершенно не нуждающихся в тиамине или его
компонентах, пиритиамин оказывает лишь очень слабое угнетающее действие.
Кроме антивитаминов, являющихся структурными аналогами соответст-
вующих витаминов, открыты антивитамины, представляющие собой белки, спе-
цифически связывающие данный витамин. Таким антивитамином белковой при-
роды является авидин, содержащийся в белке яиц и специфически реагирующий
с биотином, в результате чего последний теряет свою биологическую активность.
В связи с большой ролью антивитаминов в изучении биологического действия
витаминов, а также в связи с тем, что многие антивитамины угнетают рост болезне-
творных микробов, исследование химических аналогов витаминов ведется чрез-
вычайно энергично.
ПОТРЕБНОСТЬ В ВИТАМИНАХ У РАСТЕНИЙ И МИКРООРГАНИЗМОВ
Организмами, которые не нуждаются в витаминах и которые, следовательно,
могут самостоятельно синтезировать все витамины или провитамины, являются
зеленые растения, способные синтезировать все многообразие органических ве-
ществ из углекислого газа, воды и неорганических солей. Однако некоторые ткани
высших зеленых растений, не способные к синтезу витаминов, для своего роста
и развития нуждаются в этих витаминах, например корни, камбиальная ткань
или же выделенные из семян и растущие в темноте зародыши растений.
Культивируя подобные изолированные ткани высших растений на сте-
рильных средах, содержащих различные комбинации питательных веществ,
можно выяснить способность этих тканей к синтезу того или иного витамина и их
потребность в снабжении теми или иными веществами, в том числе витаминами.
С помощью подобного рода культур растительных тканей был исследован во-
прос о необходимости для их нормального роста и развития различных амино-
кислот и витаминов. Так, витамин Bi оказывает сильное стимулирующее дейст-
Рис. 22. Влияние витаминов Bi и Вв
(в микрограммах на 50 мл питатель-
ной среды) на рост корней гороха
(масса корня)
вие на рост изолированных корешков многих
растений, культивируемых на искусственных
питательных средах. В некоторых случаях
это действие значительно возрастает при до-
бавлении в питательную среду наряду с ви-
тамином Bt также и других витаминов, на-
пример витамина В6. Подобное усиление
стимулирующего действия одного витамина
при добавлении другого представлено на
рис. 22.
Изолированные ткани различных расте-
ний резко различаются по потребности в
витаминах. Это ясно видно из данных, ха-
рактеризующих потребность изолированных
86
корней различных растений в тиамине, никотиновой кислоте и пиридоксине:
Растения
Лен
Горох, редис, люцерна, клевер,
хлопчатник
Морковь
Томат, дурман, подсолнечник
Потребность в витаминах
Тиамин
Тиамин и никотиновая кислота
Тиамин и пиридоксин
Тиамин, никотиновая кислота и пи-
ридоксин
Подобные различия имеют место не только в отношении различных витаминов,
но также в отношении отдельных частей молекулы данного витамина. Это поло-
жение может быть проиллюстрировано на примере пиримидинового и тиазоло-
вого компонента молекулы тиамина:
н
S-C-CH2-CH2OH
I II
НС с—сн3
N
NZ С—СН2Вг
СН3-С C-NH,
Тиазоловый компонент
Пиримидиновый компонент
Изолированным корням гороха необходимо для нормального роста присутст-
вие в питательной среде либо тиамина, либо обоих компонентов его молекулы —
пиримидинового и тиазолового. Изолированные корни томата могут нормально
расти в присутствии лишь одного тиазола и, следовательно, обладают способ-
ностью самостоятельно синтезировать пиримидиновую часть молекулы тиамина.
Низшие растительные организмы — грибы и бактерии, так же как и изоли-
рованныеткани высших растений, резко различаются по потребности в витами-
нах. Так, например, если кефирные дрожжи (Torula kef yr) для нормального роста
и развития нуждаются в готовом тиамине, то другие виды того же рода Torula мо-
гут обходиться без тиамина, так как могут синтезировать его из пиримидинового
и тиазолового компонентов. Точно так же при исследовании 10 видов головневых
грибов было установлено, что один из них не растет без тиамина, а остальные де-
вять способны синтезировать тиамин из структурных компонентов его молекулы.
Необходимо отметить, что специфичность биологического действия того или
иного витамина на растительный и животный организм весьма тесно связана с хи-
мической структурой витамина. При изменении строения молекулы, иногда даже,
казалось бы, незначительном, биологическое действие ослабевает, исчезает сов-
сем или даже становится противоположным действию данного витамина.
В качестве примера можно привести действие структурных компонентов витамина
Bi — пиримидина и тиазола, а также их производных на рост изолированных корней гороха.
Схематически обозначим строение тиазолового и пиримидинового компонента витамина Bi
следующим образом:
Re
I
s-c-r5 с
I II z^\
R2—С С—R4 N С—R5
'Ч/ I II
N R2—С C-R4
N
Тиазоловый компонент Пиримидиновый компонент
87
Тогда, по В. Шопферу, действие их различных аналогов на рост корней гороха может
быть выражено данными, приведенными в табл. 3.
Специфичность действия компонентов тиамина
и их производных на рост изолированных корней гороха
Таблица 3
№ п/п r2 R< R6 Активность, %
Тиазоловый компо- 1 Н -сн, —СН2—СН2ОН 100
нент и его аналоги (тиазол тиамина)
I (в присутствии нор- 2 Н -сн. —СН2—СН2С1 100
мального пиримиди- 3 Н -СН2ОН —сн2—сн3 100
нового компонента) 4 Н -сн, —сн2—снон—сн3 100
5 Н -сн. —сн=сн2 100
6 Н -СН3 —СН2Вг 90
7 Н -СН, —(СН2)оОН 75
8 Н —СН2—СН2С1 СН3 75
9 —СН3 -сн. -СН2~СН2ОН 35
10 Н —сн. —снон—сн3 30
11 Н —СН, н 0
12 —nh2 -сн. —СН2-СН2ОН 0
13 Н -СН, -СОСНз 0
№ п/п r2 R4 R6 Re Активность, %
Пиримидиновый 1 —СН3 -nh2 —СН2Вг H 100
компонент и его 2 —СН3 -nh2 -ch2nh-csh H 100
аналоги (в при- 3 - СН3 -nh2 —ch2nh2 H 95
11 сутствии нормаль- 4 —сн3 -nh2 —ch2oc2h5 H 25
ного тиазолового 5 -СН3 -он -ch2nh2 H 0
компонента) 6 —сн3 -nh2 -ch2conh2 H 0
7 -он -он —CH2OH CH3 0
В настоящее время накоплен значительный материал, характеризующий
специфичность действия аналогов различных витаминов на растительный и жи-
вотный организм.
Некоторые из видов низших растений обладают сильно выраженной способ-
ностью к синтезу определенных витаминов, что имеет болыпоечпрактическое
значение. Некоторые виды дрожжей значительно усиливают синтез витамина Bi
при добавлении в питательную среду тиазола. При этом образование тиамина
происходит в количествах, почти эквимолекулярных добавленному тиазолу. Свою
потребность в пиримидине, необходимом для синтеза молекулы тиамина, дрож-
жевая клетка восполняет за счет каких-то внутренних перегруппировок. Именно
таким образом, т. е. путем введения в среду сравнительно дешевых веществ, яв-
ляющихся исходным материалом для синтеза витамина Вь изготовляются обо-
гащенные витамином В4 пекарские дрожжи. Вместе с тем наблюдения М. Н. Мей-
селя, А. В. Труфанова и Е. Н. Одинцовой показали, что дрожжевая клетка об-
ладает чрезвычайно большой способностью к накоплению содержащегося в окру-
жающей среде тиамина. Искусственное внесение в среду с бродящими дрожжами
витамина Bj уже за один час приводило к накоплению его в клетках в количестве
до 1000 мкг на грамм сухого вещества дрожжей.Следовательно, дрожжи способны
не только чрезвычайно интенсивно синтезировать витамин Вь но также собирать
и концентрировать его. Некоторые микроорганизмы при определенных условиях
могут синтезировать значительные количества витамина В2. Это, например, дрож-
88
Содержание витамина В1?У
Рис. 23. Влияние тиамина на
рост мицелия Phycomyces
жеподобные организмы Candida Guillermondia и
Eremothecium ashbyii. Причем синтез рибофлавина
протекает особенно интенсивно при определенном
составе питательной среды, в частности при оп-
ределенном содержании в среде солей железа.
Подбором соответствующих условий культуры и
рас дрожжей можно получать пекарские дрожжи
с весьма высоким содержанием рибофлавина.
Специфическая потребность микроорганизмов
в том или ином витамине используется в настоя-
щее время для количественного определения дан-
ного витамина. Так, например, для определения
тиамина применяют грибок Phycomyces Blakesleea-
nus. При культивировании на питательной среде,содержащей глюкозу, аспа-
рагин и различные неорганические соли, этот грибок реагирует строго опре-
деленным образом на добавление к среде различных количеств тиамина. При
этом масса мицелия, образующегося за определенное время, при увеличении
содержания в среде тиамина возрастает (рис. 23). Таким образом, определенная
масса мицелия соответствует строго определенному содержанию тиамина в пи-
тательной среде, а следовательно, и в анализируемом продукте (например, муке),
который был добавлен к среде в качестве источника тиамина. Аналогичные микро-
биологические методы количественного определения разработаны в настоящее
время и широко применяются для никотиновой кислоты, пиридоксина и других
витаминов.
ЛИТЕРАТУРА
Андреева Н. А. Витамины группы фолиевой кислоты. М., 1963.
Арешкина Л. Я- Витамин В12 в животном организме. М., 1976.
Витамины/ Под ред. М. И. Смирнова. М., 1974.
Колотилова А. И., Глушанков Е. П. Витамины. Л., 1976.
Краснянский Л. М. Н. И. Лунин — основоположник учения о витаминах. Биохимия,
1949, т. 14, вып. 4, с. 382.
Овчаров К. Е. Витамины растений. М., 1969.
Островский Ю. М. Активные центры и группировки в молекуле тиамина. Минск, 1975.
Труфанов А. В. Биохимия витаминов и антивитаминов. М., 1972.
Филиппов В. В. Биотин в растительном и животном организмах. М., 1962.
Fragner J. (Redaktor). Vitaminy, jejich chemie a biochemie. N. С. A. V., Praha, 1961.
Schopfer W. Plants and Vitamins. Chronica Botanica C°, Waltham, Mass., LISA, 1943.
Wagner A. F. a. Folkers K- Vitamins and Coenzymes. Interscience Publ., New York,
1964.
Глава IV
ФЕРМЕНТЫ
«Ферменты есть, так сказать, первый акт
жизненной деятельности. Все химические
процессы направляются в теле именно эти-
ми веществами, они есть возбудители всех
химических превращений. Все эти вещества
играют огромную роль, они обуславливают
собою те процессы, благодаря которым про-
является жизнь, они и есть в полном смыс-
ле возбудители жизни. Они составляют ос-
. новной пункт, центр тяжести физиолого-хи-
мического знания».
И. П> Павлов
ОБЩИЕ СВОЙСТВА ФЕРМЕНТОВ
В каждом организме непрерывно происходит обмен веществ, слагающийся
из огромного числа разнообразных химических реакций и представляющий со-
бой проявление взаимодействия организма с внешней средой. Отдельные хими-
ческие реакции осуществляются в организме с чрезвычайной легкостью, в то время
как то же самое вещество вне организма изменяется с большим трудом. Так, на-
пример, для осуществления вне организма постоянно происходящего в нем при
дыхании превращения сахара в воду и углекислый газ необходимо сжечь этот
сахар, т. е. подвергнуть его воздействию высокой температуры. В пищеваритель-
ном тракте животного организма очень легко происходит превращение белка в
аминокислоты или крахмала в сахар, а для того, чтобы осуществить эти превра-
щения вне организма, в колбе, необходимо кипятить белок или крахмал с креп-
кими кислотами. Таким образом, превращения веществ вне организма происходят
с очень малой скоростью и требуют высоких температур, действия кислот. Одна-
ко несмотря на то что в организме отсутствуют высокие температуры, крепкие
кислоты и щелочи, скорость химических реакций, происходящих в протоплазме,
в миллионы раз больше, чем вне ее. Это объясняется тем, что в организме имеются
катализаторы белковой природы — ферменты, которые ускоряют течение от-
дельных химических реакций, а следовательно, и всего обмена веществ. Таким
образом, ферменты играют важнейшую роль в обмене веществ.
Как известно, катализаторами называют вещества, оказывающие влияние
на скорость химической реакции, но не входящие в состав ее конечных продук-
тов. В чем же заключается механизм действия катализаторов? Скорость химиче-
ской реакции зависит от частоты столкновения молекул, поэтому те факторы, ко-
торые будут способствовать увеличению частоты столкновения молекул, будут
также повышать скорость реакции. Эти факторы — концентрация реагирующих
веществ и температура. Чем выше концентрация, тем больше вероятность
столкновения молекул реагирующих веществ. Чем выше температура, тем быст-
рее движутся молекулы, тем чаще они могут сталкиваться и тем, следовательно,
выше скорость реакции. Могут ли катализаторы влиять на эти два фактора,
определяющие скорость химической реакции?
90
Несомненно, что при гетерогенном катализе, например при действии губча-
той платины или губчатого палладия, эти катализаторы ускоряют реакцию в не-
малой степени также и потому, что на их поверхности происходит концентриро-
вание молекул реагирующих веществ. Однако в случае, когда мы имеем дело с го-
могенным катализом, при котором реакция происходит в одной фазе, например
в растворе или в газовой среде, катализатор не оказывает влияния на концент-
рацию реагирующих веществ.
Точно так же катализатор не может изменить температуру реагирующих
веществ, так как он не приносит энергию извне. Таким образом, при гомогенном
катализе катализаторы изменяют скорость химических реакций не потому, что
они повышают частоту столкновений молекул реагирующих веществ.
При изучении факторов, определяющих скорость химических реакций, было
выяснено, что она зависит не только от концентрации и температуры. Оказалось,
что число столкновений молекул для многих реакций значительно больше, чем
число прореагировавших молекул. Было установлено, что в реакцию вступают
только лишь молекулы, находящиеся в активном состоянии. Таким образом, чем
выше скорость химической реакции, тем больше активных молекул содержится
в системе. Иными словами, возрастание скорости химической реакции при по-
вышении температуры объясняется происходящим при этом увеличением коли-
чества активных молекул. Зависимость концентрации активных молекул от тем-
пературы выражается уравнением
____р-
2Т
[А1] = [А] • е
где е — основание натуральных логарифмов, А — общая концентрация моле-
кул, А1 — концентрация активных молекул, Т — абсолютная температура и
р — некоторая величина, характерная для данных молекул и для данной реакции.
Эта последняя величина характеризует ту избыточную энергию, которую необ-
ходимо придать молекуле для того, чтобы перевести ее в активное состояние,
т. е. характеризует собой энергию активации, требующуюся для осуществления
данной реакции.
Активация молекул может быть произведена путем увеличения их кинетиче-
ской энергии, т. е. путем увеличения скорости их движения при повышении тем-
пературы. Она может быть произведена также путем повышения не кинетической
энергии движения молекул, а их внутримолекулярной энергии. Это имеет место,
например, при фотохимических реакциях, когда молекулы поглощают опреде-
ленное количество лучистой энергии, или при столкновениях молекул с актив-
ными (возбужденными) молекулами или атомами, передающими им часть своей
энергии. Итак, химическая реакция между двумя видами молекул может прои-
зойти лишь в случае, если молекулы будут активированы, получат определенное
дополнительное количество энергии, называемое энергией активации.
Процесс можно изобразить графиче-
ски. Если происходит экзэргоническая ре-
акция АВ + NM->AM -|- NB, то реагиру-
ющие молекулы должны преодолеть опре-
деленный «энергетический барьер». Они
могут это сделать, лишь получив некото-
рое дополнительное количество энергии
активации, выраженное отрезком а. При
этом они перейдут в активное состояние,
соответствующее «горбу» нашей кривой
(рис. 24). Активные молекулы, вступив в
Рис. 24. Энергетическая схема хими-
ческой реакции
реакцию, теряют определенное количество
аиАпгии. и уровень энергии в системе
Q1
AM + NB будет поэтому находиться ниже энергетического уровня первона-
чальной системы АВ 4- NM. Если идет обратная эндэргоническая реакция
AM 4- NB -> АВ NM, то величина энергии активации будет выражена отрез-
ком б. И в том, и в другом случае отрезок в является мерой свободной энер-
гии реакции.
В чем же заключается сущность действия катализаторов? В том, что катали-
затор снижает энергию активации, необходимую для осуществления данной хи-
мической реакции, направляя ее «обходным» путем — через промежуточные ре-
акции, которые требуют значительно меньшей энергии активации. Так, реакция
АВ->А 4-В в присутствии катализатора К идет следующим образом: АВ 4-
4- К АВ К и далее АВК->ВК 4-А и ВК-^В 4-К.
Происходит образование промежуточного соединения катализатора с суб-
стратом и последующий распад этого соединения, причем катализатор регенери-
руется. Промежуточные реакции требуют гораздо меньшей энергии активации,
чем реакция, идущая без участия катализатора. Поэтому они идут со значитель-
ной быстротой, а следовательно, и скорость суммарной реакции АВ->А 4-В
также значительно повышается.
Снижение катализатором энергии активации, необходимой для осуществле-
ния данной реакции, может быть показано на примере гидролиза сахарозы с об-
разованием из нее глюкозы и фруктозы. Без участия катализатора для реакции
требуется энергия активации, равная 32 000 малых калорий на грамм-молекулу.
Если реакция катализируется ионами водорода, то энергия активации снижается
до 25 600 калорий, а в случае катализа ферментом сахаразой она составляет всего
лишь 9 400 калорий. Реакция разложения перекиси водорода, происходящая
без участия катализатора, требует энергии активации, равной 18 000 малых ка-
лорий на моль. Если реакция катализируется коллоидной платиной, то энергия
активации понижается до 11 700 кал!моль, а в присутствии фермента катала-
зы — до 1 300 кал!моль.
Из этих данных следует, что очень большое снижение энергии активации
имеет место под влиянием катализаторов; вместе с тем фермент значительно силь-
нее понижает энергию активации, чем неорганический катализатор. Понижение
энергии активации субстрата, например сахарозы, под влиянием катализаторов,
в частности ферментов, происходит вследствие некоторой деформации молекул
субстрата, происходящей при образовании промежуточного комплекса катали-
затор — субстрат; деформация ослабляет внутримолекулярные связи и делает
молекулу значительно более способной к определенной реакции.
Ослабление прочности связей в молекулах реагирующего вещества, проис-
ходящее под влиянием катализатора, в частности фермента, вызывает пониже-
ние энергии активации молекулы субстрата и, следовательно, ускоряет течение
данной реакции.
Для осуществления каталитического действия фермент должен вступить в
соединение с субстратом. Образующиеся промежуточные соединения ферментов
с субстратами крайне неустойчивы; образование их может быть показано с помо-
щью спектральных методов: изучением спектров поглощения одного фермента
и того же фермента в присутствии субстрата, на который он действует. Образование
промежуточного соединения между ферментом и субстратом вызывает значительное
изменение спектра поглощения. Некоторые соединения фермента с субстратом
удалось выделить в кристаллическом состоянии.
Положение об образовании промежуточного соединения фермент — субстрат
было развито Л. Михаэлисом и его сотрудницей М. Ментен. Они исходили из
следующего уравнения:
^+1 ^+9
Е + S ES —* Е 4- Р.
fe-i
92
Таким образом, уравнение Михаэлиса — Ментен основано на предположе-
нии, что одна молекула субстрата реагирует с одной молекулой фермента.
Из приведенного уравнения следует, что фермент Е вступает во взаимодейст-
вие с субстратом S и образует промежуточное соединение фермент—субстрат ES.
Константа скорости этой реакции — k+it а константа скорости обратной реак-
ции — k_i. Соединение фермент — субстрат далее распадается. При этом фермент
регенерируется и образуется продукт реакции Р. Константа скорости последней
реакции — &+2. Полагая, что комплекс фермент — субстрат может диссоцииро-
вать, можно представить, что
т. е. константа диссоциации этого комплекса равна отношению констант скоро-
стей обратной и прямой реакций.
Если константа диссоциации комплекса фермент — субстрат 7<s велика,
то велико значение k_i и мало значение k+i. Отсюда следует, что комплекс очень
легко распадается на исходные вещества и реакция идет медленно. Наоборот,
если константа k+i велика и k_i мала, то К s будет мала и ферментативная реак-
ция будет идти быстро. Исходя из закона действующих масс, можно написать
следующее уравнение:
[S] • ([Ео] - [ES]) = Ks • [ES],
где [Ео] —общая концентрация фермента в начале данной ферментативной ре-
акции, a [ES] — концентрация соединения фермент — субстрат.
Выражение [Ео] — [ESI представляет собой концентрацию свободного фер-
мента за вычетом концентрации фермента, связанного с субстратом. Далее мы
можем преобразовать данное уравнение:
Следовательно, чем больше выражение [ES], тем больше скорость данной фермен-
тативной реакции. Максимальной скорость данной ферментативной ре-
акции бывает в случае, когда концентрация соединения фер-
мент — субстрат равна общей концентрации фермента, т. е. [ES] = [Ео].
Следовательно, скорость будет максимальной при условии, что весь фермент вой-
дет в соединение с субстратом и будет им полностью насыщен. Таким образом,
можно написать следующую зависимость:
V [ES]
umax [Eq]
т. е. скорость данной реакции так относится к максимальной скорости реакции,
как [ES] относится к [Ео]. Но мы знаем, что
[ES] _ [S]
[Ео] + [S] ’
а следовательно,
о [S]
^тах + [$]
или иначе
[S]
v~”™' ^ + [S1 •
93
Обычно игаах обозначают буквой V, тогда последнее выражение будет иметь вид
0 = у. tS]_.
K,+ [S]
Последнее уравнение получило название уравнения Михаэли-
са — М е н те н. Из уравнения следует, что если концентрация субстрата ве-
лика по сравнение с (например, при гидролизе сахарозы 0-фруктофуранози-
дазой Ks составляет 0,0167 М), то в согласии с уравнением Михаэлиса—Ментен
скорость реакции будет равна максимальной (у = V), поскольку добавление
очень небольшой величины (Ks) к концентрации субстрата практически не из-
менит ее значение.
Если концентрация субстрата [S] мала, то добавление ее к константе диссо-
циации Ks почти не изменит ее, и мы можем написать следующее уравнение:
Но это уже типичная реакция первого порядка, т. е. в данном случае ско-
рость реакции прямо пропорциональна концентрации субстрата в каждый дан-
ный момент.
Для большего удобства уравнение Михаэлиса — Ментен было преобразо-
вано Лайнуивером и Берком по методу двойных обратных величин, т. е. на осно-
вании того принципа, что если имеется равенство между двумя какими-то величи-
нами, то и обратные величины тоже будут равны.
В таком случае уравнение Михаэлиса — Ментен будет выглядеть следую-
щим образом:
Иначе его можно написать в таком виде:
= 1 1
v V ' [S] + V
Таким образом, последнее уравнение является уравнением Михаэлиса — Мен-
тен, преобразованным по методу двойных обратных величин, т. е. уравнением
Лайнуивера — Берка.
Обрабатывая экспериментальные данные по методу двойных обратных вели-
чин, можно получить зависимость между концентрацией субстрата и скоростью
реакции в виде прямых, имеющих разный наклон и, в соответствии с условиями
протекания реакции, отсекающих разные отрезки от оси абсцисс и от оси ординат.
Метод двойных обратных величин широко распространен и используется
для получения кинетических данных, характеризующих тот или иной фермент.
Уравнение Михаэлиса — Ментен правильно только лишь при самых коротких
сроках действия фермента: когда имеется избыток субстрата и образовалось мало
продуктов реакции, т. е. когда величина Р очень мала:
^+1 &+2
Е 4-S ES —> Е + Р.
fe-1
Именно поэтому уравнение Михаэлиса—Ментен носит несколько ограни-
ченный характер, поскольку оно учитывает только первый период процесса
и не учитывает его второй стадии, т. е. влияния образующегося продукта реак-
ции и его взаимодействия с ферментом. Таким образом, более правильно те-
чение ферментативного процесса соответствует уравнению
Е 4- S ES Е -f- Р.
Л_1 /г-2 X
94
Б связи с этим был предложен ряд усовершенствованных уравнений с учетом
влияния продуктов реакции. В частности, такое улучшенное выражение урав-
нения Михаэлиса — Ментен дали Д. Холдейн и Д. Бриггс:
V [S]
v = V----------
кт + [S]
Здесь Кт представляет собой так называемую константу Михаэлиса.
Константа Михаэлиса имеет очень большое значение в энзимологии и яв-
ляется важной характеристикой фермента, характеризуя его сродство к субстра-
ту. В классическом уравнении Михаэлиса — Ментен фигурирует Ks, т. е. кон-
станта диссоциации соединения фермент — субстрат.
Константа Михаэлиса Кт может быть выражена следующим образом:
Мы видим, что в числителе находятся константы скоростей реакций расщеп-
ления комплекса фермент — субстрат как в направлении расщепления на фер-
мент и субстрат, так и в направлении расщепления на фермент и конечный про-
дукт реакции. Если
ь ь
= -=*- , то Кт = Ks 4- -f- •
к+1 /г+1
Таким образом, получается, что Кт всегда больше, чем Кs, т. е. больше,
чем константа диссоциации соединения фермент — субстрат на величину #+2/&+i.
Константу Михаэлиса выражают в молях на литр. Если v = то [S] = Кт-
Константа Михаэлиса равна той концентрации субстрата, при которой
наблюдается скорость реакции, равная половине максимальной.
Как мы уже указывали, константа Михаэлиса — Кт всегда несколько
больше, чем величина Ks- Так, в случае фермента алкогольдегидрогеназы, ка-
тализирующего в присутствии NAD+реакцию окисления этилового спирта с об-
разованием уксусного альдегида, Ks = 10"7 моля/л, а Кт = Ю-5 моля/л.
При выделении нового фермента очень важно знать константу Михаэлиса.
Кт нужно определять по возможности с наиболее чистыми ферментными препа-
ратами, вместе с тем ее следует определять при строго постоянных условиях
(/°, pH и т. д.) и по возможности за самый короткий начальный период реакции.
Графически константа Михаэлиеаможет быть представлена так, как это по-
казано на рис. 25(Л). По оси абсцисс отложена концентрация субстрата, а по
оси ординат — скорость реакции. Если мы отметим на этом графике скорость,
равную половине максимальной,
то соответствующий отрезок на оси
абсцисс будет представлять собой
константу Михаэлиса.
Пользуясь подобным графи-
ком, можно найти значение Ктдля
того или иного фермента. Для по-
строения графика следует опреде-
лять скорость реакции v при раз-
личных значениях концентрации
Рис. 25. Графическое изображение константы
Михаэлиса (Л) и графический способ нахожде-
ния константы Михаэлиса по методу двойных об-
ратных величин Лайнуивера и Бёрка (Б)
субстрата; в итоге будет установ-
лено значение максимальной ско-
рости реакции V, когда увеличе-
ние концентрации субстрата уже
95
не будет влиять на скорость реакции, и затем найдем Кт. Еще раз нужно
подчеркнуть, что константу Михаэлиса нужно определять за возможно более
короткий первоначальный промежуток времени и пользоваться достаточно
очищенным ферментным препаратом; содержащиеся в препарате примеси могут
сильно влиять на величину Кт.
Уравнение Михаэлиса — Ментен, обработанное по методу двойных обрат-
ных величин Лайнуивера — Берка, имеет следующий вид:
Л 1 , 1
V V ’ [S] + V
Это уравнение аналогично выражению у = ах + Ь, т. е. уравнению прямой
линии. Если по оси абсцисс мы отложим V[S], апо оси ординат Vu, то получим
график, представленный на рис. 25 (Б).
Наклон полученной прямой равен величине отрезок, отсекаемый пря-
мой от оси ординат, 1/V. Если полученную прямую продолжить за ось ординат,
то она отсечет от оси абсцисс отрезок, равный обратной величине константы Миха-
элиса — 1/Кт.
Каждый фермент содержит определенные химические группировки (SH-
группы, остатки гистидина, серина, тирозина и т. д.),благодаря которым он
вступает в соединеннее субстратом и осуществляет свое каталитическое действие.
Такие группы, расположенные в разных участках молекулы фермента, но взаи-
модействующие между собой и ответственные за его каталитическую активность,
названы функциональными группами фермента.
Изучение различных функциональных групп, необходимых для проявления
каталитического действия ферментов, и сопоставление получаемых данных с ре-
зультатами исследования первичной, вторичной и третичной структуры фермент-
ных белков привело к представлению об активном центре фермента, т. е. той
комбинации различных химических группировок в молекуле фермента, которая
осуществляет его каталитическое действие.
На рис. 26 представлена модель молекулы химотрипсина. На рисунке по-
казано, что в активном центре молекулы химотрипсина (молекула имеет третич-
ную структуру) сближены один из остатков серина и расположенные сравнитель-
но далеко от него в полипептидной цепи остатки гистидина и аспарагиновой кис-
лоты. Такое сближение и образование активного центра возможно только в ре-
зультате совершенно определенного свертывания полипептидной цепочки и обра-
зования свойственной данному ферменту третичной структуры, определенной
конформации его молекулы (см. цветную вкл.).
Если химическое превращение обратимо, то катализатор в принципе уско-
ряет скорость как прямой, так и обратной реакции. Направление процесса опре-
деляется концентрацией исходных и конечных продуктов реакции. Ферменты,
являющиеся катализаторами белковой природы, также ускоряют прямую и об-
ратную реакции.
В 1898 г. Крофт-Хилл получил изомальтозу при действии фермента мальта-
зы на концентрированный раствор глюкозы. Блестящие работы по ферментатив-
ным синтезам глюкозидов были осуществлены в начале нашего столетия француз-
ским биохимиком Э. Бурклб с сотрудниками. Бурклб работал с ферментом Р-глю-
козидазой из миндаля и дрожжевой а-глюкозидазой (эти ферменты сохраняют
активность в концентрированных спиртовых растворах). Таким образом, в кон-
центрированных растворах глюкозы в 80—95 %-ном метиловом или этиловом спир-
те создаются чрезвычайно благоприятные условия для ферментативного синтеза
соответствующего метил- или эти л глюкозида, так как незначительное количество
воды и большие коцентрации глюкозы и спирта вызывают сдвиг равновесия в сто-
рону синтеза. При этих условиях Бурклб синтезировал ряд глюкозидов, причем
их выход достигал в отдельных опытах сотен граммов и даже килограммов.
96
Сдвиг равновесия в сторону синтеза может быть также достигнут при усло-
вии, что продукт, образующийся в результате ферментативного синтеза, нерас-
ворим, т. е. удаляется из сферы реакции. Исходя из этого принципа, М. Берг-
манн с сотрудниками синтезировал с помощью растительных протеолитических
ферментов — папаина и фицина — ряд полипептидов. За последние годы осу-
ществлены многочисленные ферментативные синтезы различных полисахаридов.
С помощью ферментов, выделенных из различных микроорганизмов, удалось
синтезировать наиболее сложные из всех известных нам природных соединений —
нуклеиновые кислоты, молекулярная масса которых достигает нескольких
миллионов.
Все эти ферментативные синтезы не только доказывают обратимость действия
ферментов, но вместе с тем открывают новые пути органического синтеза, осно-
ванные на применении столь специфических и мощных катализаторов, какими
являются ферменты. Говоря об обратимости действия ферментов, нужно под-
черкнуть, что хотя она бесспорно доказана in vitro, однако в живой клетке
большинство ферментативных синтезов проходит под действием не тех фермен-
тов, которые катализируют расщепление того или иного ссединения.
Между ферментами и неорганическими катализаторами имеются сущест-
венные различия. Мы уже отмечали выше, что каталитическая активность фер-
ментов значительно превосходит активность неорганических катализаторов.
Особенно хорошо это положение иллюстрирует следующий пример. Перекись
водорода Н2О2 разлагается благодаря каталитическому действию ионов железа
на воду и кислород; эта же реакция катализируется содержащим железо фер-
ментом каталазой. Однако каталитическая активность каталазы колоссально
велика по сравнению с каталитической активностью ионов железа. Так, если
1 моль ионов железа при 0° С в течение 1 с разлагает 10“5 молей Н2О2, то соот-
ветствующее количество каталазы при той же температуре и за тот же срок может
разложить 105 молей перекиси водорода.
Согласно рекомендации Международного биохимического союза каталити-
ческая активность фермента выражается в каталах (сокращенно кат.). Катал—
это каталитическая активность, способная осуществлять реакцию со скоростью,
равной одному молю в секунду, в заданной системе измерения активности.
Удобно выражать каталитическую активность в микрокаталах (мк-кат), на-
нокаталах (нкат) или пикокаталах (пкат), чему отвечают скорости реакций,
выражающиеся в микромолях, наномолях и, соответственно, пикомолях в се-
кунду.
Одной из важных величин, характеризующих активность фермента, явля-
ется удельная каталитическая активность фермента или ферментного препа-
рата, которую можно выражать в каталах на 1 кг (кат-кг-1). Другая величина,
молярная каталитическая активность, выражается в каталах на 1 г-моль
фермента. Если заданные условия определения таковы, что фермент полностью
насыщен субстратом, то молярная каталитическая активность численно равна
константе скорости (в с"1) распада фермент-субстратного комплекса.
Вторая весьма существенная особенность каталитического действия фермен-
тов состоит в том, что оно строго специфично. Например, сахараза разлагает
сахарозу и не действует на родственные дисахариды, например мальтозу. Таким
образом, действие ферментов направлено на совершенно определенные химиче-
ские связи.
По образному выражению Эмиля Фишера, фермент подходит к своему суб-
страту так, как ключ подходит к замку. Схематически структурное соответствие,
необходимое для образования промежуточного соединения фермент—субстрат
и осуществления ферментативной реакции, представлено на рис. 27.
Наконец, третьим свойством ферментов, отличающим их от неорганических
катализаторов, является их большая лабильность: зависимость от ряда воздей-
4-596 •
97
Рис. 27. Схема образования промежуточного соединения фермент — субстрат
продукт2
активированный
комплекс фермент -
субстрат
ствий — концентрации водородных ионов, температуры, окислительно-восста-
новительных условий, концентрации некоторых ссединений — метаболитов
(продуктов обмена веществ), ионов металлов и т. п.
Какова же химическая природа ферментов? Над этим вопросом ученые ра-
ботали более ста лет с момента открытия ферментативного действия К. С. Кирх-
гофом в 1814 г.
В результате этих исследований в настоящее время можно считать установ-
ленным, что каждый фермент обязательно содержит белок и что каталитические
функции фермента теснейшим образом связаны с наличием в его молекуле белка.
Более того, как установлено В. А. Энгельгардтом и М. Н. Любимовой, миозину
мышцы, считавшемуся лишь двигательным белком, свойственны ферментативные
функции. Точно так же показано, что многие «запасные» белки различных се-
мян — альбумины и глобулины, которые со времен Т. Б. Осборна рассматри-
вались как инертные питательные вещества, необходимые для развивающегося
зародыша, обладают ферментативным действием.
Все ферменты разделяют на два больших класса — ферменты, состоящие
исключительно из белка, обладающего каталитическими свойствами, и ферменты,
состоящие из белковой части (апофермента) и небелковой части, называемой про-
стетической группой. Таким образом, ферменты, принадлежащие к первому клас-
су, являются однокомпонентными, а вторые — двухкомпонентными.
Типичным двухкомпонентным ферментом является пируватдекарбоксилаза
(4.1.1.1) — фермент, катализирующий расщепление пировиноградной кислоты
на углекислый газ и уксусный альдегид согласно уравнению
пируватдекарбоксилаза
СН3СОСООН--------------------> СН3СОН + СО2
Подобное разложение пировиноградной кислоты с выделением углекислого
газа (ее декарбоксилирование) может происходить и под влиянием каталитического
действия ряда сравнительно простых соединений, содержащих аминную группу,
например метиламина CH3NH2. Но в этом случае реакция идет в сотни тысяч раз
слабее, чем под влиянием пируватдекарбоксилазы. Если в метиламин ввести
карбоксильную группу и получить таким образом гликокол HOOCCH2NH2, то
98
каталитическая активность последнего возра-
стает в пять раз по сравнению с метилами-
ном. Если еще более усложнить молекулу та-
кого искусственного катализатора, то ката-
литическая активность в отношении реакции
декарбоксилирования еще более возрастет.
Однако она будет все же значительно ниже,
чем активность пируватдекарбоксилазы.
Простетическая группа пируватдекарбо-
ксилазы представляет собой соединение мо-
лекулы витамина и двух остатков фосфор-
ной кислоты (см. с. 74). Соединяясь со спе-
цифическим белком, она образует пируват-
декарбоксилазу; последняя — пример фермен-
та, активная группа которого содержит ви-
тамин. Активные группы многих ферментов
включают тот или иной витамин; так, вита-
мин В2 входит в состав активной группы не-
которых ферментов, катализирующих окисле-
ние органических соединений, например ами-
нокислот; витамин РР (никотиновая кислота)
в виде своего амида участвует в построении
активной группы ферментов дегидрогеназ,
Габриэль Бертран
(1867—1962)
окисляющих органические соединения путем
отнятия от них воде рода; производное витамина В6 содержится в составе актив-
ной группы ферментов, катализирующих превращения аминокислот; пантоте-
новая кислота входит в состав кофермента А, при участии которого происходит
ферментативный перенос остатков уксусной кислоты и синтез жирных кислот,
лимонной кислоты, стеролов и каучука. Таким образом, витамины являются
неотъемлемой составной частью ряда важнейших ферментов.
Двухкомпонентными ферментами являются также ферменты, действующие
на перекись водорода, — каталаза и пероксидаза. Первая катализирует реакцию
разложения перекиси водорода на воду и кислород по уравнению
каталаза
2Н2О2 ------2Н2О + О2
Пероксидаза с помощью перекиси водорода окисляет полифенолы с образо-
ванием соответствующего хинона и воды:
СН
R—С С-ОН
I II
НС С-ОН
сн
R-С С=О
I I + 2Н2О
НС с=о
Действие каталазы и пероксидазы может быть воспроизведено с помощью
ионов трехвалентного железа, но эти ионы обладают очень малой каталитиче-
ской активностью. Последняя может быть значительно усилена, если железо
войдет в состав гематина, в котором четыре молекулы пиррола связаны между
собой и с атомом железа, образуя комплексное соединение (см. с. 119).
Гематин уже обладает значительным каталазным действием, но и его катали-
тическая активность в несколько миллионов раз меньше активности каталазы,
в которой гематин, являющийся простетической группой этого фермента, связан
со специфическим белком. Гематин обладает также слабым пероксидазным дей-
4*
99
ствием. Однако это действие проявляется в полной мере лишь после соединения
гематина со специфическим белком, т. е. образования пероксидазы.
На примере пероксидазы и каталазы показано, что белковая часть (апофер-
мент) двухкомпонентного фермента оказывает решающее влияние на специфич-
ность его действия. Вместе с тем ясно, что соединение простетической группы с
белком приводит к огромному возрастанию ее каталитической активности.
Прочность связи простетической группы и апофермента у разных ферментов
различна. Так, у дегидрогеназ, катализирующих окисление различных субстратов
путем отнятия водорода (дегидрогенизация), эта связь непрочная: такие фермен-
ты легко диссоциируют и распадаются. Диссоциация двухкомпонентного фермента
может произойти, например, при диализе. Простетические группы, легко отде-
ляющиеся от белковой части фермента, по предложению выдающегося француз-
ского биохимика Г.,Бертрана называют коферментами.
Теория двухкомпонентного строения справедлива не для всех ферментов.
Имеется целый ряд ферментов :— протеинов, т. е. состоящих из одного компо-
нента — белка.
В настоящее время многие ферменты получены в виде белковых кристаллов,
очищенных от различных примесей и имеющих чрезвычайно высокую каталити-
ческую активность. На рис. 28 показаны в увеличенном виде белковые кристал-
лы однокомпонентного фермента уреазы, впервые полученного в кристалличе-
ском виде Д. Самнером в 1926 г. Уреаза содержится в большом количестве в
семенах канавалии, арбуза и сои. Этот фермент катализирует реакцию гидро-
литического разложения мочевины на аммиак и углекислый газ.
Типичным однокомпонентным ферментом, полученным в 1930 г. Г. Норт-
ропом в виде кристаллов, изображенных на рис. 29, является пепсин желудочного
сока, расщепляющий белки.
Многие двух- и однокомпонентные ферменты содержат металлы, принимаю-
щие участие в каталитическом действии этих ферментов. Железо входит в состав
простетической группы каталазы и пероксидазы и является неотъемлемой состав-
ной частью цитохромной системы, участвующей в процессе дыхания. В состав
окислительных ферментов полифенолоксидазы и аскорбинатоксидазы, играющих
важную роль в обмене растений, входит медь. Фермент нитратредуктаза, ката-
лизирующий восстановление нитратов, содержит молибден, а карбонат-дегидра-
таза (угольная ангидраза), катализирующая расщепление угольной кислоты на
СО2 и воду, — цинк.
Рис. 29. Кристаллы пепсина
(м и кр офотогр афи я)
Рис. 28. Кристаллы уреазы (микрофо-
тография)
100
Действие ферментов, в отличие от действия неорганических катализаторов,
строго специфично и чрезвычайно зависит от структуры субстрата. Наглядным
примером специфичности действия ферментов можно считать глюкозидазы —
ферменты, катализирующие гидролиз и синтез глюкозидов. Действие глюко-
зидаз прежде всего зависит от наличия в глюкозиде а- или Р-глюкозидной связи.
Природа моносахарида, гликозидный гидроксил которого замещен тем или
иным агликоном, оказывает значительно меньшее влияние, небольшое влияние
на действие глюкозидаз оказывает структура агликона. Так, присоединение к
глюкозидному гидроксилу глюкозы второй молекулы глюкозы у шестого угле-
родного атома последней (гентиобиоза) вместо четвертого (целлобиоза) сни-
жает скорость гидролиза вдвое. Понижает интенсивность гидролиза и наличие
в агликоне аминной группы. Большое влияние оказывает структура агликона
Таблица 4
Скорость расщепления различных £-глюкозидов эмульсином1
Агликон
Формула
Относительная
скорость расщепления
глюкозида
Метанол
Фенол
Салициловый спирт
Орто-к резол
Мета-крезол
Пара-крезол
Салициловый альдегид
Кофейная кислота
Протокатеховый альдегид
Ванилин
0,034
0,33
1,7
4,3
0,55
0,12
8,6
8,4
10,0
13,0
СН3ОН
Углеродные и водородные атомы бензольного ядра в формулах опущены.
101
различных Р-глюкозидов на скорость их расщепления эмульсином — фермент-
ным препаратом из сладкого миндаля (табл. 4).
Прекрасным примером зависимости действия фермента от структуры суб-
страта является расщепление аргинина и его производных под действием фер-
мента аргиназы, содержащегося в тканях животных, высших растениях, плесне-
вых грибах и дрожжах. Этот фермент катализирует гидролитическое расщепле-
ние аргинина на орнитин и мочевину:
NH2.
>c-nh-ch2-ch2-ch2-chnh2-cooh + н2о —>
NFr Аргинин
nh2—со—nh2 + H2N—СН2—СН2—СН2—CHNH2—соон
Мочевина Орнитин
Однако аргиназа не расщепляет метилового эфира аргинина:
-NH—СН2—СН2—СН2—CHNH2—СООСН3
Дипептид, состоящий из соединенных между собой остатков двух молекул
аргинина, под действием аргиназы дает лишь половину теоретического количест-
ва мочевины. Следовательно, аргиназа вступает в соединение с аргинином по
месту его карбоксильной группы, а расщепление молекулы аргинина происходит
в месте, отдаленном от карбоксильной группы.
Говоря о специфичности действия ферментов, нужно отметить, что один и тот
же фермент может обладать несколькими ферментными активностями. Так, три-
псин — фермент, выделяемый поджелудочной железой, обладает способностью
расщеплять не только белки, но также различные сложные эфиры и некоторые
амиды (см. с. 140).
Действие ферментов определяется рядом факторов, что является следстви-
ем чрезвычайной лабильности ферментов. Она обусловлена тем, что ферменты
являются белковыми веществами, особенно легко денатурирующимися и изменя-
ющимися под влиянием ряда химических и физических воздействий. Лабиль-
ность ферментов имеет очень большое биологическое значение. Изменения в об-
мене веществ, происходящие под влиянием различных факторов внешней среды,
обусловлены изменением скорости отдельных ферментативных реакций, лежащих
в основе обмена веществ.
Важнейший фактор, от которого зависит действие ферментов, — темпера-
тура. По мере возрастания температуры растет также и активность фермента.
При определенной температуре, называемой оптимальной, действие данного
фермента будет наиболее интенсивным. По мере дальнейшего повышения темпе-
ратуры начинается уменьшение действия фермента, которое прекращается пол-
ностью при более высоких температурах. Оптимальная
температура лежит обычно при 40—50° С. Влияние тем-
пературы на фермент показано графически на рис. 30,
иллюстрирующем зависимость от температуры действия
окислительного фермента глютаматдегидрогеназы пше-
ничных зародышей. Оптимальная температура для
действия фермента не является строго постоянной вели-
чиной — она зависит также от других условий, в част-
ности от продолжительности реакции. Так, при увели-
чении продолжительности действия фермента оптималь-
ная температура сдвигается в сторону более низких
величин.
Снижение интенсивности действия фермента при
повышении температуры сверх оптимальной объясня-
>sL_j_j____1_1___।
£ 20 30 40 50 60 t°C
Рис. 30. Зависимость
действия глютаматдегид-
рогеназы пшеничных за-
родышей от температуры
102
ется прежде всего начинающейся дена-
турацией ферментного белка. Следова-
тельно, при температурах более высо-
ких, чем оптимальные, происходит, с
одной стороны, ускорение реакции под
влиянием повышения температуры и, с
другой стброны, быстрое денатурирова-
ние ферментного белка. Таким образом,
скорость денатурации белка, а следова-
тельно, разрушение фермента, значи-
тельно обгоняют ускорение данной хи-
мической реакции, происходящее при
повышении температуры.
Поскольку белки, находящиеся в
сухом состоянии, денатурируются зна-
чительно медленнее, чем белки, находя-
щиеся в гидратированном состоянии (в
виде белкового геля или раствора),
инактивирование ферментов в сухом
состоянии происходит гораздо медлен-
нее, чем их инактивирование в присут-
ствии влаги. Именно с этим обстоятель-
Сёрен Питер Сёренсен
(1868—1940)
ством связан, например, тот факт, что сухое зерно выдерживает нагревание
при гораздо более высоких температурах, чем то же зерно в увлажненном
состоянии.
Выдающийся датский биохимик С. П. Сёренсен впервые показал, что вторым
важным фактором, оказывающим очень большое влияние на каталитическую
активность ферментов, является активная кислотность среды, ее pH. Каждый
фермент проявляет свое действие, как правило, в пределах довольно узкой зоны
значений pH; в такой зоне каталитическая активность фермента наибольшая.
Эта зона называется оптимальной зоной pH. На рис. 31 показана зависимость
действия глютаматдегидрогеназы пшеничных зародышей от величины pH.
Различные ферменты сильно отличаются друг от друга по оптимальным для
их действия величинам pH. Так, если оптимум действия глютаматдегидрогеназы
пшеничных зародышей лежит при pH 7,5 (рис. 31), то оптимум действия пепсина
находится при pH 1,5, а солодовой амилазы — при pH 4,7 — 5,2.
Действие ферментов очень сильно зависит также от специфических активато-
ров и ингибиторов. Так, многие ферменты активируются в присутствии незна-
чительных количеств сульфгидрильных соединений, содержащих группу SH.
К числу этих соединений относятся цистеин и восстановленный глютатион.
Ингибирование ферментов in vitro наблюдается
под влиянием так называемых белковых осадите-
лей — веществ, дающих с белками нерастворимые
осадки, например солей тяжелых металлов (свинца,
ртути, вольфрама), таннина, трихлоруксусной кисло-
ты СС13СООН. Угнетение действия ферментов этими
веществами не является специфическим и поэтому
любой из этих белковых осадителей может быть при-
менен для осаждения любого фермента и полного пре-
кращения его действия.
Однако существуют специфические ингибиторы
действия ферментов. Угнетение ими каталитических
функций того или иного фермента основано на специ-
фическом связывании этих ингибиторов с определен-
Рис. 31. Влияние pH на
действие глютаматдегидро-
геназы пшеничных зароды-
шей
103
E+I
комплекс El
(неактивный)
Рис. 32. Схема действия специфического ингибитора: Е — фер-
мент, S — субстрат, ES — промежуточный комплекс фермент—
субстрат, I — ингибитор, Pi и Р2 — продукты реакции
ними химическими группировками в активном центре фермента. Так, напри-
мер, окись углерода (СО) специфически ингибирует ряд окислительных фер-
ментов, содержащих в активном центре железо или медь. Вступая в химиче-
ское соединение с этими металлами, она блокирует активный центр фермента,
и он теряет свою активность.
Различают обратимое и необратимое ингибирование фермента. При обратимом
ингибировании (например, действие малоновой кислоты на сукцинатдегидрогена-
зу) активность фермента восстанавливается при удалении ингибитора диализом
или иным способом. При необратимом ингибировании действие ингибитора,
даже при очень низких его концентрациях, усиливается и со временем наступает
полное торможение активности фермента.
Ингибирование фермента может быть конкурентным и неконкурентным.
При конкурентном ингибировании ингибитор и субстрат конкурируют между
собой, стремясь вытеснить один другого из фермент-субстратного комплекса.
Действие конкурентного ингибитора снимается высокими концентрациями суб-
страта, а действие неконкурентного ингибитора в этих условиях сохраняется.
В растениях и у животных содержатся ингибиторы ферментов, представляю-
щие собой сравнительно низкомолекулярные белки, специфически ингибирующие
те или иные ферменты. Так, во многих семенах и в картофеле имеются
подобные белки, ингибирующие протеолитические ферменты (см. с. 140).
Схематически действие специфического ингибитора представлено на рис. 32.
Наряду с подобными ингибиторами и
Рис. 33. Схема взаимодействия аллостерическо-
го фермента с эффектором:
1—активный центр, 2 — аллостерический центр, 3— субст-
рат , 4 — эффектор
активаторами, связывающимися с
теми или иными функциональными
группами в активном центре фер-
мента, имеются ингибиторы и ак-
тиваторы, присоединяющиеся не к
активному центру, а к какому-то
другому участку молекулы фер-
мента. При этом изменяется кон-
формация всей молекулы, а следо-
в. тельно, и структура активного
центра, в результате чего проис-
ходит ингибирование или активи-
рование данного фермента. Уча-
сток молекулы фермента, присо-
104
единение к которому вызывает изменение ее конформации и связанное с ним
изменение структуры активного центра, получил название аллостерического
центра, а соответствующие ферменты называют аллостерическими. Большин-
ство аллостерических ферментов представляют собой белки-олигомеры. Веще-
ства, присоединение которых к аллостерическому центру вызывает увеличение
или уменьшение активности фермента, называют эффекторами.
Схема взаимодействия аллостерического фермента с эффектором представ-
лена на рис. 33.
Аллостерические ферменты играют важную роль в регулировании фермен-
тативных процессов в клетке, так как в качестве эффекторов могут выступать
различные промежуточные продукты обмена веществ (метаболиты). Вместе с тем
нужно подчеркнуть, что изменение активности аллостерического фермента под
действием того или иного эффектора происходит вследствие конформационных
флюктуаций молекулы фермента.
Действие на ферменты различных активаторов и ингибиторов имеет большое
значение и для регулирования ферментативных процессов, происходящих в орга-
низме. Однако в живой клетке и в протоплазме регулирование действия фермен-
тов осуществляется не только с помощью специфических активаторов и ингиби-
торов, но также при помощи связывания фермента на различных структурах
протоплазмы. А. И. Опарин впервые предположил, что подобные процессы свя-
зывания ферментов с белками играют большую роль в регулировании действия
ферментов в живом организме. Действительно, оказалось, что огромную роль
в регулировании ферментативных процессов в живой клетке играют белково-
липидные мембраны, в которые «вмонтированы» те или иные ферменты (например,
цитохромоксидаза или аденозинтрифосфатаза). Например, ферментный комплекс,
синтезирующий АТР в процессах дыхания и фотосинтеза, «вмонтирован» в мем-
браны митохондрий и хлоропластов.
Важную роль в регуляции действия ферментов играет их компартментация,
т. е. их локализация в тех или иных субклеточных структурах. Так, гидролити-
ческие ферменты, катализирующие гидролиз различных соединений — белков,
нуклеиновых кислот, полисахаридов, липидов, эфиров фосфорной кисло-
ты, гликозидов ит. п., локализованы в растительной клетке главным образом
в вакуолях, отделенных от цитоплазмы белково-липидной мембраной — тоно-
пластом.
- По-видимому, в регулировании действия ферментов существенную роль иг-
рают также различные молекулярные формы данного фермента, содержащиеся
в одной и той же ткани, катализирующие одну и ту же реакцию, но различаю-
щиеся по структуре, физическим, химическим и иммунохимическим свойствам.
Такие молекулярные формы одного и того же фермента получили название изо-
энзимы (изозимы).
Активность ферментов может регулироваться также путём ограниченного
протеолиза или путем ковалентной модификации — т. е. присоединением ка-
ких-либо групп — остатков фосфорной или адениловой кислот и т. д.
КЛАССИФИКАЦИЯ И СВОЙСТВА ОТДЕЛЬНЫХ ФЕРМЕНТОВ
В настоящее время известно свыше 2 000 различных ферментов. Их класси-
фикация основывается на характере их действия. В соответствии с рекоменда-
циями комиссии по ферментам Международного биохимического союза они под-
разделены на шесть основных классов:
1. Оксидоредуктазы (окислительно-восстановительные ферменты) — фер-
менты, катализирующие окислительно-восстановительные реакции.
105
2. Трансферазы (ферменты переноса). Эти ферменты катализируют перенос
целых атомных группировок, например остатков фосфорной кислоты, остатков
моносахаридов и аминокислот, аминных или метильных групп от одного соеди-
нения к другому.
3. Гидролазы — ферменты, катализирующие расщепление различных слож-
ных органических соединений при участии воды на более простые. Подобное
расщепление называют гидролизом, а соответствующие ферменты — гидролазами.
Гидролазы катализируют реакции, которые могут быть выражены типовым урав-
нением:
RRj + Н-ОН R—ОН + Н—Rj
4. Лиазы — ферменты, катализирующие реакции негидролитического от-
щепления каких-либо групп от субстратов; при этом образуются двойные связи
(или, наоборот, происходит присоединение группы к двойной связи).
5. Изомеразы (ферменты изомеризации). Эти ферменты катализируют пре-
вращения органических соединений в их изомеры.
6. Лигазы (синтетазы) — ферменты, катализирующие соединение двух мо-
лекул, связанное с расщеплением пирофосфатной связи в АТР или других нуклео-
зидтрифосфатах.
Эти шесть классов ферментов, в свою очередь, подразделяются на подклассы
и еще более мелкие группы.
Согласно новой классификации каждый фермент кроме рабочего (тривиаль-
ного) названия имеет рациональное название и шифр, состоящий из четырех
цифр. В шифре первая цифра обозначает класс, вторая — подкласс, третья —
еще более мелкую группу ферментов (подподкласс); четвертая цифра обозначает
данный конкретный фермент.
Переходим к рассмотрению отдельных классов ферментов.
Оксидоредуктазы (1)
К классу оксидоредуктаз относятся разнообразные ферменты, катализи-
рующие окислительно-восстановительные реакции, происходящие в живом ор-
ганизме. Из ферментов этого класса прежде всего надо назвать дегидрогеназы,
катализирующие реакцию дегидрогенизации, т. е. отнятия водорода от данного
органического соединения. Реакция дегидрогенизации может быть изображена
схематически:
АН2 + В А + ВН2
Вещество АН2, отдающее водород, называется донатором водорода, а ве-
щество В, принимающее водород от донатора, носит название акцептора водо-
рода.
Одновременно происходит окисление вещества А и восстановление вещества
В, т. е. окислительно-восстановительная реакция.
Приведенное уравнение не отражает того факта, что в окислительно-восста-
новительной реакции участвует также катализатор — промежуточный пере-
носчик водорода. При опытах с растворами различных органических соединений
таким катализатором может служить, например, коллоидальный палладий, от-
нимающий водород от окисляемого вещества (донатора) и передающий его ка-
кому-либо акцептору, например метиленовой сини (МС); последняя при этом
переходит в восстановленную, бесцветную форму (лейкоформу).
106
Ход реакции и участие в ней промежуточного переносчика водорода, в
данном случае палладия, можно наглядно выразить следующей схемой:
В живых клетках роль промежуточных переносчиков водорода выполняют
различные дегидрогеназы. Обычно для изучения их действия пользуются вытяж-
кой из исследуемой ткани, а в качестве акцептора водорода используют метиле-
новую синь. Содержащаяся в вытяжке дегидрогеназа отнимает водород от окис-
ляемого субстрата и отдает его затем метиленовой сини, которая при этом превра-
щается в лейкоформу. Следовательно, по обесцвечиванию раствора можно судить
о действии дегидрогеназы. Поскольку лейкоформа метиленовой сини легко окис-
ляется кислородом воздуха, причем раствор снова окрашивается, опыт ведут в
специальной пробирке, из которой выкачивают воздух.
В настоящее время установлено существование многих специфических дегид-
рогеназ, окисляющих только лишь определенные субстраты.
В зависимости от химической природы окисляемого субстрата дегидрогеназы
носят соответствующее название. Так, например, фермент, окисляющий этило-
вый спирт, называют алкогольдегидрогеназой, яблочную кислоту — малат-
дегидрогеназой, изолимонную кислоту — изоцитратдегидрогеназой и т. д.
Все известные дегидрогеназы разделяют на две группы:
1) анаэробные дегидрогеназы, которые не могут отдавать водород кисло-
роду воздуха, а передают его другим акцепторам, например другим дегидрогена-
зам или хиноноподобным соединениям;
2) аэробные дегидрогеназы, которые могут передавать отнятый от окисляе-
мого субстрата водород непосредственно кислороду воздуха.
Анаэробные (пиридиновые) дегидрогеназы. Что же представляют собой
по своей химической природе анаэробные дегидрогеназы? Прежде всего необхо-
димо отметить,, что это двухкомпонентные ферменты, простетическая группа
которых в большинстве случаев содержит витамин РР (амид никотиновой
кислоты).
Анаэробные дегидрогеназы легко диссоциируют при диализе, распадаясь
на белок и кофермент.
Коферментом ряда анаэробных дегидрогеназ является дифосфопиридин-
нуклеотид (сокращенно DPN). Международная комиссия по номенклатуре фер-
ментов предложила сокращенно называть дифосфопиридиннуклеотид NAD+,
что соответствует рациональному химическому названию этого соединения (ни-
котинамидадениндинуклеотид). Он является исключительно реакционноспособ-
ной окислительно-восстановительной системой, играющей важную роль в про-
цессе спиртового и молочнокислого брожения, а также в процессе дыхания и фото-
синтеза. Строение восстановленной формы дифосфопиридиннуклеотида (NADH)
представлено ниже. Вступая в соединение с тем или иным специфическим белком,
NAD+ образует ту или иную анаэробную дегидрогеназу, обладающую способ-
ностью отнимать водород непосредственно от ряда органических соединений,
например от фосфоглицеринового альдегида. В результате происходит окисление,
например, глюкозы в глюконовую кислоту или фосфоглицеринового альдегида
в фосфоглицериновую кислоту. При этом NAD+ превращается в свою восста-
новленную форму NADtL Второй водород субстрата переходит в среду в
виде Н+-иона:
107
н
I
с
НС7 ^c-conh2
II I
НС сн
нс c-conh2
II II
НС сн
нс----. ।---сн
НОСН I I неон
| О О I -2Н+
НОСН I I неон
НС----1 I---сн
НС----. i-----сн
+ Н+
I I
сн2 сн2
о о
II II
О-P—О—Р—о
НОСН | | неон
I о о I
НОСН | | неон
I I I
сн2 сн2
NADH
NAD+
Соединенный со специфическим белком NADH имеет значительный восста-
новительный потенциал. Он может передать свой водород уксусному альдегиду,
образующемуся в качестве промежуточного продукта при спиртовом брожении
или анаэробном (интрамолекулярном) дыхании высших растений. При этом аце-
тальдегид восстанавливается до этилового спирта, a NADH снова превращается
в NAD+. В процессе превращения углеводов при молочнокислом брожении аце-
тальдегид не образуется, и NADH осуществляет восстановление пировиноградной
кислоты. В результате этой реакции получается молочная кислота и регенери-
руется NAD+. Так обстоит дело при молочнокислом или спиртовом брожении и
анаэробном дыхании растений. Если же происходит обычное аэробное дыхание,
то содержащая NAD+ дегидрогеназа, отняв водород у фосфоглицеринового
альдегида или како-
го-либо другого субстра-
та, передает его флави-
новому ферменту или
другому промежуточно-
му переносчику водо-
рода.
Коферментом дру-
гих анаэробных дегид-
рогеназ является три-
фосфопиридин-ну к л ео-
тид, состоящий из сое-
диненных между собой
остатков двух молекул
пентозы, трех молекул
фосфорной кислоты, од-
ной молекулы аденина и
одной молекулы амида
никотиновой кислоты:
Т риф осф опиридиннуклеотид
(NADP+)
ю£Г
Трифосфопиридиннуклеотид (сокращенно TPN) был открыт О. Варбургом.
Международная комиссия по номенклатуре ферментов предложила сокращенно
называть трифосфопиридиннуклеотид NADP+, что соответствует химическому
названию этого соединения — никотинамидадениндинуклеотидфосфат. Отнимая
водород от окисляемого им субстрата, NADP+ так же, каки NAD+, превращает-
ся в восстановленное производное (NADPH), которое отдает затем свой водород
флавиновому ферменту. Таким образом, восстановленные производные описан-
ных выше пиридиннуклеотидов являются специфическими субстратами, на ко-
торые действуют флавиновые ферменты.
Однако необходимо подчеркнуть, что некоторые пиридиновые дегидрогеназы
передают отнятый ими от окисляемого субстрата водород не флавиновым фермен-
там, а хинонам, образующимся под действием полифенолоксидазы, или же цито-
хромной системе.
Трифосфопиридиннуклеотид обнаружен в различных листьях и клубнях.
В листьях его содержание составляет от 10 до 40 мкг на 1 г сухой массы.
Пиридиновые ферменты, отнимающие водород от окисляемого субстрата и
передающие его затем флавиновым ферментам, дыхательным пигментам или цито-
хромной системе, называют первичными дегидрогеназами.
Первичные дегидрогеназы, содержащие в качестве коферментов дифосфо-
или трифосфопиридиннуклеотид, окисляют самые разнообразные субстраты:
молочную, яблочную, изолимонную и глютаминовую кислоты, гексозомоно-
фосфат, глюкозу, различные альдегиды и спирты. Специфичность действия ана-
эробных дегидрогеназ зависит от особенностей белка, с которым связан данный
пиридиновый кофермент.
В тканях высших растений и микроорганизмов окисленные и восстановлен-
ные формы никотинамидадениндинуклеотида и никотинамидадениндинуклеотид-
фосфата находятся в состоянии динамического равновесия и могут взаимно пре-
вращаться друг в друга благодаря ферменту ЫАО(Р)+-трансгидрогеназе (1.6.1.1),
который катализирует реакцию NADPH -рН + + NAD+^ NADP+ + NADH +
+ н+.
Аэробные (флавиновые) дегидрогеназы. К аэробным дегидрогеназам, спо-
собным передавать водород, отнятый от окисляемого субстрата или от восстанов-
ленной формы анаэробной дегидрогеназы, кислороду воздуха или метиленовой
сини, принадлежат прежде всего ферменты, в состав активной группы которых
входит рибофлавин (витамин В2). Эти ферменты иначе называют флавопротеида-
ми. Таким образом, флавопротеидные дегидрогеназы, так же как и анаэробные
дегидрогеназы, являются прекрасным примером каталитической функции ви-
таминов: соединяясь с белком, витамин образует качественно новую систему —
фермент. Способность флавиновых ферментов отнимать водород от окисляемого
вещества и передавать его другим соединениям или непосредственно кислороду
связана с тем, что их активная группа легко подвергается обратимому окисле-
нию и восстановлению в соответствии со следующим уравнением:
н н н
н н н
I I I /н
н2с—с—с—с—сн2—о Р =0
I I I Тон
он он он
I I I /ОН
Н2 С—С—С—С —С Ну-О—Р=0
I I I >ОН
ОН ОН ОН /
СН N
Н,С—'''С''' '"''Г О
I II I
Н3С—с. /Н
TH N СО ''
.сн
NH
+2Н+к Н3С—СТ
Ж-211+ Н3С—С. /
TH
СО Белок ]
Флавин имеет желтую окраску, а его восстановленная форма — лейкофлавин,
109
так же как и восстановленная форма метиленовой сини,—бесцветное соединение.
Поскольку гетероциклическое соединение, входящее в состав рибофлавина, пред-
ставляет собой азотистое основание (диметилизоаллоксазин), активную группу
флавиновых ферментов можно рассматривать как мононуклеотид, но с той раз-
ницей, что в нем содержится не остаток пентозы, как в обычных нуклеотидах, а
остаток соответствующего спирта D-рибита.
Однако несмотря на это отличие, все же изображенную выше активную
группу флавиновых ферментов называют обычно флавинмононуклеотидом (со-
кращенно FMN).
Наиболее известным и хорошо изученным ферментом флавопротеидной при-
роды является исследованный О. Варбургом и Г. Теореллем так называемый
желтый дыхательный фермент. Он участвует в окислении ряда соединений,
играющих важную роль в обмене веществ, например гексозомонофосфата. При
этом от гексозомонофосфата водород отнимает содержащая NADP+ анаэробная
дегидрогеназа, которая затем передает этот водород желтому ферменту, а по-
следний отдает его далее кислороду воздуха. Таким образом, окисление гексозо-
монофосфата в фосфоглюконовую кислоту осуществляется ферментной системой,
состоящей из анаэробной дегидрогеназы и флавинового желтого фермента. Про-
цесс, при котором водород передается от окисляемого субстрата одному, а затем
другому ферменту и, наконец, реагирует с кислородом воздуха, является ти-
пичным примером ступенчатой ферментативной реакции. Он может быть изо-
бражен следующей схемой:
6-фосфоглюко-
новая кислота
гексозомоно-
фосфат
анаэробная
дегидрогеназа
анаэробная
дегидрогеназа Н+Н+
желтый
фермент
желтый
фермент • Н2
о2
Н2О2
Желтый дыхательный фермент представляет собой дегидрогеназу, специфи-
ческим субстратом которой является восстановленная форма содержащей
NADP анаэробной дегидрогеназы. Поэтому в настоящее время старое название
«желтый фермент» заменено названием дегидрогеназа восстановленного NADP
(1.6.99.1).
Имеются флавиновые ферменты, простетическая группа которых представ-
ляет собой флавинадениндинуклеотид, имеющий следующую структуру:
Остаток дим етилизоалл оксазина
Остаток,
рибофуранозы
н/Ут
.С--N
С
nh2
Остаток аденина
Флавинадениндинуклеотид (сокращенно FAD) найден в листьях и клубнях
растений. В ряде растений найдены также ферменты, катализирующие при уча-
стии АТР синтез флавинадениндинуклеотида из флавинмононуклеотида.
ПО
Флавинадениндинуклеотид является активной группой фермента, катали-
зирующего окисление аминокислот, а также фермента, называемого ксантин-
оксидазой. Ксантиноксидаза (1.2.3.2) катализирует окисление пуриновых
оснований — ксантина и гипоксантина до мочевой кислоты. Ксантиноксидаза
может передавать водород, отнятый ею от гипоксантина или ксантина как
кислороду воздуха, так и метиленовэй сини. Ксантиноксидаза содержится в
молоке, а также в тканях растений и животных. Для ее действия необходим мо-
либден. Она катализирует окисление гипоксантина в ксантин и далее окисление
последнего в мочевую кислоту:
Гипоксантин
ксантин-
оксидаза
i N
hhA?vch+O1
Н Н
Гипоксантингидрат
Ксантин
К сантин гидрат
Мочевая кислота
Нужно отметить, что ксантиноксидаза обладает еще второй функцией —
она катализирует окисление различных альдегидов.
Восстановленные формы флавиновых ферментов могут передавать свой водо-
род не только кислороду воздуха или метиленовой сини, но также полифенолок-
сидазной или цитохромной системам, которые описаны ниже.
Оксидазы. Аэробные дегидрогеназы, для которых акцептором водорода мо-
жет служить лишь кислород воздуха, называют оксидазами. Отнимая водород
от окисляемого субстрата и передавая его затем кислороду воздуха, оксидаза
может образовать при этом воду или перекись водорода. Соответствующие схе-
мы действия оксидазы имеют следующий вид:
Оксидаза. Оксидаза
Среди оксидаз необходимо рассмотреть прежде всего полифенолоксидазу
(1.14.18.1).
Полифенолоксидаза содержится в грибах и высших растениях. Молекуляр-
ная масса ее у грибов равна 34 500, а у чайного листа — 144 000. Этот фермент
представляет собой белок, содержащий медь (0,2—0,3%). ПримерОхМ катализиру-
емой им реакции окисления полифенола может служить окисление пирокахетина
в соответствующий хинон:
111
он
I
с
НС^С-ОН
II I
нс сн
+
II
С
полифенолоксидаза НС С=О
-------------------> II I
нс сн
+ н20
сн
Полифенолоксидаза окисляет монофенолы в соответствии со следующим урав-
нением:
СН
/Ч
нс сн
II I +
нс сн
Y
ОН
О2
п олифенолоксидаза
-------------->- NADP+ +
+ NADPH + Н+
НС СН
II I
НС С-ОН
+ н20
I
он
Полифенолоксидазой можно назвать также фермент тирозиназу, окисляю-
щий тирозин с образованием темноокрашенных соединений — меланинов. Ак-
тивная тирозиназа содержится в грибах и в ржаной муке. Темный цвет ржаного
хлеба, по-видимому, частично объясняется именно действием тирозиназы. Той
же причиной объясняется наблюдающееся иногда потемнение макарон в процессе
их сушки (некоторые партии пшеничной муки содержат весьма активную тиро-
зиназу).
Полифенолоксидаза окисляет также трифенолы, например пирогаллол.
Действием полифенолоксидазы объясняется потемнение поверхности разрезан-
ного яблока или картофельного клубня. Полифенолоксидаза участвует в окис-
лении полифенолов и дубильных веществ, происходящем при скручивании и за-
вяливании чайного листа; ее действием
объясняется также потемнение плодов и
овощей при сушке.
Высказывалось предположение, что
полифенолоксидаза, возможно, играет роль
в дыхании растений. Согласно В. И. Пал-
ладину, система полифенол^ хинон дей-
ствует в качестве промежуточного звена
при окислении различных органических
соединений, происходящем в процессе ды-
хания растений. Возможное участие поли-
фенолоксидазы в этом процессе может быть
представлено следующей схемой:
Владимир Иванович Палладии
(1859—1922)
Согласно схеме небольшое количество
полифенола и соответствующего хинона
112,
может многократно подвергаться попеременному окислению и восстанов-
лению, являясь связующим звеном между отнимаемым от субстрата водородом
и кислородом воздуха. Действительно, хиноны играют важнейшую роль в про-
цессах дыхания (см. с. 217) и фотосинтеза (см. с. 279).
Система полифенолоксидазы, полифенолов и соответствующих хинонов
может окислять аскорбиновую кислоту с образованием дегидроаскорбиновой
кислоты. В растениях имеется особая оксидаза, которая осуществляет превра-
щение аскорбиновой кислоты в дегидроаскорбиновую. Этот фермент получил на-
звание аскорбинатоксидаза (1.10.3.3) и также представляет собой белок,
содержащий медь (0,24%). Он катализирует следующую реакцию:
СН2ОН
I
неон О
но он
Аскорбиновая кислота
аскорбинатоксидаза
СН2ОН
I
неон о
Дегидроаскорбиновая кислота
Особенно активная аскорбинатоксидаза содержится в тыкве, капусте и ка-
бачках. Весьма важной задачей являетсявыяснение роли полифенолоксидазы и
аскорбинатоксидазы в обмене веществ растений.
К группе оксидаз принадлежит также фермент уратоксидаза (1.7.3.3)
или уриказа. Этот фермент окисляет в аллантоин мочевую кислоту, образую-
щуюся из пуриновых оснований под действием ксантиноксидазы. Суммарное
уравнение, выражающее реакцию окисления мочевой кислоты уриказой, имеет
следующий вид:
уриказа
Мочевая кислота
О N4
II/ \
h2n с с=о + со2 + н2оа
о=с снч /
\/ XN
N |
Уриказа содержится как в животных,
так и в растительных тканях. Так же, как
полифенолоксидаза и аскорбинатоксидаза,
уриказа является медьпротеидом.
Весьма активной оксидазой, содержа-
щейся в растениях, является открытая
П. А. Колесниковым оксидаза гликолевой
кислоты — гликолатоксидаза (рис. 34). Ее
шифр 1.1.3.1. Этот фермент катализирует
окисление гликолевой кислоты кислоро-
Рис. 34. Кристаллическая оксидаза гликолевой
кислоты из листьев шпината (увеличено в
480 р аз)
Аллантоин
ИЗ
дом воздуха с образованием глиоксилевой кислоты и перекиси водорода:
НОСН2—СООН + О2^> НОС — СООН + Н2О2.
Образующаяся перекись водорода разлагается затем каталазой на воду и
кислород.
Действие оксидазы гликолевой кислоты не угнетается цианидом и другими
специфическими ингибиторами окислительных ферментов содержащих металлы.
Как показало исследование кристаллического препарата оксидазы гликолевой
кислоты, ее коферментом является флавинмононуклеотид. Гликолатоксидаза
окисляет гликолевую кислоту, образующуюся при фотосинтезе (см. с. 281).
Важной оксидазой является глюкозооксидаза (1.1.3.4), содержащаяся
в различных плесневых грибах и окисляющая глюкозу с образованием в конеч-
ном счете глюконовой кислоты. Первая цифра шифра обозначает, что фермент
принадлежит к классу оксидоредуктаз, вторая — фермент действует на СНОН-
группу глюкозы, третья — при отнятии водорода его акцептором служит газо-
образный кислород, четвертая цифра — номер данного фермента в группе 1.1.3.
Глюкозооксидаза получена в кристаллическом состоянии, имеет молекуляр-
ную массу 186 000, содержит две молекулы флавинадениндинуклеотида и 15%
углеводов. Высокая специфичность действия глюкозооксидазы позволяет при-
менять ее препараты для количественного определения глюкозы.
Цитохромная система. Лишь немногие дегидрогеназы способны передавать
водород, отнятый ими у окисляемого субстрата или у восстановленной дегидро-
геназы, непосредственно кислороду воздуха. Промежуточным звеном между
восстановленными пиридиновыми или флавиновыми дегидрогеназами, с одной
стороны, и кислородом воздуха, с другой, служит цитохромная система.
Последняя была найдена Д. Кейлином во всех организмах, за исключением
облигатно-анаэробных бактерий, т. е. организмов, для которых кислород являет-
ся ядом.
Цитохромная система состоит из цитохромов, а также фермента цитохром-
оксидазы, активирующего молекулярный кислород и окисляющего с его по-
мощью восстановленный цитохром.
Установлено, что в растениях имеется ряд цитохромов, различающихся
по спектрам поглощения, по сродству к молекулярному кислороду и обозначае-
мых как цитохром а, цитохром Ь, цитохром с, цитохром clf цитохром /, цито-
хромы Ь6, Ь3, Ь7, а3. Многие
из них получены в кристал-
лическом состоянии (рис. 35).
Цитохромы представляют
собой протеиды, простетиче-
ская группа которых—гем,
близок по свойствам и строе-
нию к простетической группе
пероксидазы и каталазы (см.
с. 119).
Молекулярная масса ци-
тохромов колеблется в весь-
ма широких пределах. Так,
молекулярная масса цитохро-
ма с из пшеничных зароды-
шей равна 12 768, а цитох-
рома f из листьев петруш-
ки — 24 500.
Международная комис-
сия по классификации и но-
Рис. 35. Кристаллический цитохром с из пшеничных
зародышей (восстановленная форма; увеличено в
200 раз)
1W
менклатуре ферментов предложила разделить все известные цитохромы на четы-
ре группы в зависимости от природы гема: цитохромы а содержат железоформил-
порфирин, цитохромы Ь — железопротопорфирин, цитохромы с — замещенный
железомезопорфирин с ковалентными связями между белком и порфирином,4
а цитохромы d содержат железодигидропорфирин-
Порфирины цитохромов а,Ь, с и d
В настоящее время полностью расшифрована первичная структура белков,
входящих в состав многих цитохромов. Так, белок цитохрома с из пшеничных
зародышей, состоящий из 112 аминокислотных остатков, имеет строение, пред-
ставленное на рис. 36.
Связь гема с белком осуществляется через атом серы двух остатков цистеина,
а также с помощью дополнительной связи между атомом железа и ядром гисти-
дина (рис. 37). По-видимому, железо связано также дополнительной валент-
ностью с одним из остатков метионина.
Цитохромы существуют в окисленной и восстановленной формах, легко
превращающихся друг в друга. При этих превращениях меняется валентность
железа, содержащегося в цитохромах: при окислении оно переходит из закисной
формы в окисную.
115
1 10
СН3С О—Ala-*~Ser-*-Phe^*~Ser-*-Glu-*- Ala Pro —► Pro -♦ Gly -♦ Asn -*- Pro
20 J
,Cys-*-G ln-«-Ala-*-Cys-*-Lys •*—T hr-*-Lys-*-Phe-*-Ile-^-L ys-*—A Ia-*-G ly-*-A la-*-A sp<
, 30
\H is-*-T hr-*-V al—►A sp-*~A la-*-G ly~*~A la—*~G ly-*~H is-»-L ys—*~G ln-*-G ly-»*P ro-*-A sn\
50 40 J
<G ly-*—Ala-*-Thr-*—T hr-*—Gly-*-Ser-*— G ln-*-Arg-*—Gly-*-Phe-*-L eu-*-G1у-*-НЬ-*ЧЬeu'
L 60
vTy r-*~S er-*-T у r—er-*-A la-*-A la-*-A sn—»-L ys—*-A sn—*-L ys-*-A la-*rV al-*-G lu-*-T rp^
80 70 .
fL у s-*—L у s -*-P ro-*—A s n-*—L e u-*—L e u-*—T у r-*—A sp-*—T у r-*—Le u-*-Th r-*—As n-*-Glu-*-Glu/
к 90
‘ T у r-*-11 e—► P r o-*-G 1 y—*-T h r-*L у s—*-M e t-*- V al —»-P h e—»~P r o—*-G ly—*-Leu-*~Ly s1-*- Ly s\
100 .
^A la-*—L у s-*—L у s-*-L e u-*—T у r-*—A la-*-Ile-*-L eu~*—A sp-*—A la-*—A fg-*-^A sp-*-Gln-*^P ro/
» 110
h r—*-S e r—*-S e r-—C OOH
Рис. 36. Первичная структура белка цитохрома с из пшеничных зародышей
Рис. 37. Схема строения цитохрома с из дрожжей
Роль цитохрома в живой клетке состоит в том, что его окисленная форма от-
нимает электрон от водородного атома, отнятого дегидрогеназой от окисляемого
субстрата и содержащегося в дигидроформе флавиновой дегидрогеназы. В ре-
зультате эти водородные атомы превращаются в ионы водорода Н+, а цитохром из
окисленной формы переходит в восстановленную, причем содержащееся в нем
железо из трехвалентного превращается в двухвалетное. В дальнейшем отнятый
от водородного атома электрон через систему переносчиков электронов переда-
ется атому кислорода; последний при этом приобретает способность реагировать
с ионизированными водородными атомами, образуя воду. Таким образом, цито-
хром не является акцептором водородных атомов от восстановленных пириди-
новых или флавиновых дегидрогеназ — он акцептор и переносчик электронов.
Окисление восстановленных цитохромов, как мы отметили выше, осуществ-
ляется ферментом цитохромоксидазой (1.9.3.1). Фермент является цитохромом
а3, т. е. представляет собой протеид, содержащий гематин в качестве простетиче-
ской группы. Цитохромоксидаза очень легко окисляется молекулярным кисло-
родом. Действие-цитохромоксидазы угнетается синильной кислотой и окисью
углерода. Эти вещества, связываясь с железом фермента, лишают его катали-
116
тической активности, вследствие чего фермент
теряет активность, и у многих клеток дыхание
угнетается на 80—90%. Окись углерода явля-
ется ядом цитохромоксидазы лишь в темноте.
Это объясняется тем, что соединение окиси угле-
рода с железом легко разлагается на свету.
В переносе электронов от водородных ато-
мов в процессе дыхания последовательно участ-
вуют цитохром ft, цитохром clf цитохром с, ци-
тохром а и, наконец, цитохром а3 (цитохром-
оксидаза) или цитохром а$ .
Как видно из схемы, которая иллюстри-
рует роль цитохромной системы в дыхании кле-
ток (см. с. 217), между флавиновым ферментом и
цитохромной системой происходят окислитель-
но-восстановительные реакции, в которых участ-
вуют убихиноны (см. с. 217) и белки, содержащие
негеминовое железо. На последнем этапе перено-
са электронов, в котором принимают участие
цитохромы а и а3 или а$г по-видимому, участ-
вуют также ионы меди.
В заключение нужно отметить, что цито-
хромы участвуют не только в процессе дыха-
ния, но также в процессах фотосинтеза, хемо-
синтеза и фиксации молекулярного азота ат-
Рис. 38. Схема структуры рубре-
доксина Clostridium pasteurianum
(а) и активного центра фотосин-
тетического негеминового желе-
зопротеида Chromatium (б).
Обозначения: черный кружок—Fe. бе-
лый кружок — S—Cys
мосферы.
Негеминовые железопротеиды (ферредокси-
ны). В самых различных организмах открыты
белки, содержащие негеминовое железо, связан-
ное с сульфидной серой белка. Негеминовые же-
лезопротеиды найдены в анаэробных, аэробных
и фотосинтезирующих бактериях, водорослях,
грибах, высших растениях и животных. Они
участвуют в самых разнообразных биохимических процессах — дыхании, фо-
тосинтезе, фиксации молекулярного азота, гидроксилировании стероидов у
млекопитающих. Негеминовые железопротеиды могут существовать в двух
состояниях, связанных с переносом электрона. Многие из них имеют от-
носительно низкий потенциал (Е'0от со —0,006 до —0,4 V); к ряду этих белков
применяют термин ферредоксины. В зависимости от содержания атомов железа
и сульфидной серы их подразделяют на четыре группы:
1) IFe — OS* бактериальные рубредоксины (S*—сульфидная сера);
2) 2Fe — 2S* растительные, бактериальные и животные ферредоксины;
3) 4Fe — 4S* фотосинтетические (высокопотенциальные) белки с Е*4-
4-0,35V и нефотосинтетические бактериальные с Eq—0,4V,
например ферредоксин из Clostridium pasteurianum',
4) 8Fe — 8S* бактериальные ферредоксины.
Ряд негеминовых железопротеидов получен в кристаллическом состоянии
и для них установлена первичная структура. Они имеют сравнительно неболь-
шую молекулярную массу. Так, у рубредоксина она равна 6000 (53 аминокис-
лотных остатка), а у ферредоксина хлоропластов около 13 000. Ферредоксин
азотфиксирующей бактерии Clostridium pasteurianum содержит 54 аминокис-
лотных остатка.
117
Схемы структуры некоторых негеминовых железопротеидов приведены
на рис. 3>.
Пероксидаза (1.11.1.7). Ранее отмечалось, что в результате действия не-
которых оксидаз образуется перекись водорода, способная играть роль окисли-
теля. Окисление органических соединений перекисью водорода происходит
в организме под действием фермента — пероксидазы. Пероксидаза может окис-
лять те или иные соединения с помощью перекиси водорода или каких-либо ор-
ганических перекисей. С перекисью водорода она образует комплексное соеди-
нение, в результате чего перекись активируется и приобретает способность дейст-
вовать как акцептор водорода.
Пероксидаза окисляет полифенолы и некоторые ароматические амины.
А. Н. Бах указал, что многие органические соединения, реагируя с кислородом
воздуха, образуют перекиси. Так, хинон, образующийся при окислении полифе-
нола кислородом воздуха, может существовать как в хиноидной, так и в пере-
кисной форме:
II
С
НС^СН
II II
НС сн
II
о
Хиноидная форма
О------
I
с
нс^ сн
I II
НС сн
с
I
о-------
Перекисная 4<>рма
Особенно легко перекиси образуются при окислении кислородом воздуха
соединений, имеющих непредельные связи между двумя атомами углерода: тер-
пенов, каротиноидов, ненасыщенных жирных кислот. Перекиси этих соедине-
ний под действием пероксидазы окисляют полифенолы: перекись каротина в
присутствии пероксидазы легко окисляет пирогаллол.
Пероксидаза, как и каталаза, — двухкомпонентный фермент, простетиче-
ская группа его содержит железо, соединенное с остатками четырех пиррольных
колец в виде гематина. Гематин пероксидазы и каталазы имеет одно и то же стро-
ение, представленное ниже. Следовательно, различия в каталитической функции
каталазы и пероксидазы объясняются разными свойствами белков, связанных
в этих ферментах с одной и той же простетической группой.
Поскольку пероксидаза особенно легко окисляет полифенолы, она играет
важную роль в дыхании растений, так как наряду с полифено,локсидазой может
катализировать окисление фенолов в хиноны. Обычно препараты пероксидазы
получают из корней хрена. Пероксидаза хрена имеет молекулярную массу 44 100
и представляет собой гликопротеид, содержащий 20% углеводов.
В дрожжах найдена цитохромпероксидаза (1.11.1.5), которая в отличие от
обычной пероксидазы специфически окисляет с помощью перекиси водорода
только лишь восстановленную форму цитохрома; при этом железо цитохрома ста-
новится трехвалентным, цитохром превращается в окисленную форму, а пере-
кись водорода дает воду.
Каталаза. (1.11.1.6). К классу оксидоредуктаз относится также фермент
каталаза, под действием которой происходит разложение перекиси водорода
на воду и молекулярный кислород: 2Н2О2->2Н2О + О2.
Каталаза — двухкомпонентный фермент, состоящий из белка и соединен-
ной с ним простетической группы; последняя содержит гематин:
11.8
СООН СООН
Простетическая группа каталазы связывается сбелком двумя карбоксилами (тож-
дественна простетической группе пероксидазы). Каталаза ингибируется си-
нильной кислотой, сероводородом, фторидами. Роль каталазы в организме за-
ключается в том, что она разрушает ядовитую для клеток перекись водорода.
Липоксигеназа (липоксидаза) (1.13.11.12). В растениях широко распрост-
ранен фермент липоксигеназа, катализирующий окисление кислородом воздуха
некоторых ненасыщенных высокомолекулярных жирных кислот и образуемых
ими сложных эфиров.
Липоксигеназа сои представляет собой глобулин с молекулярной массой
102 000, содержит железо. Липоксигеназа получена в виде белковых кристаллов.
Наиболее активна липоксигеназа в семенах сои; семена и листья других
бобовых культур и злаков содержат значительно менее активный фермент. Оп-
тимум действия липоксигеназы сои находится при pH 6,5—7,0, а липоксигеназы
злаков — при pH 7,0.
Из всех ненасыщенных жирных кислот липоксигеназа окисляет с достаточ-
ной скоростью лишь линолевую и линоленовую кислоты.
Окисление ненасыщенных жирных кислот под действием липоксигеназы
приводит к образованию гидроперекисей:
R ... —СН2СН=СНСН2СН=СНСН2— .... СООН
+ О2
R ... —СН2СН=СНСН=СНСНСН2— .... СООН
I
ООН
Образующиеся таким образом гидроперекиси имеют весьма высокую окисли-
тельную способность и могут окислять далее новые порции ненасыщенных жирных
кислот, а также каротиноиды, витамин А, аминокислоты, хлорофилл, аскорби-
новую кислоту. Поскольку липоксигеназа катализирует вторичное окисление
каротиноидов, сопровождающееся исчезновением характерной для них желтой
окраски, делаются попытки применить липоксигеназу в качестве препарата, от-
беливающего тесто и придающего мякишу хлеба более светлую окраску.
Липоксигеназа играет важную роль при разрушении каротина во время
сушки и хранения различных растительных продуктов. Перекиси жирных кислот
могут легко подвергаться дальнейшему распаду, вот почему липоксигеназа иг-
рает, по-видимому, существенную роль в процессе прогоркания таких продуктов,
как мука и различные крупы.
119.
Несомненно, что липоксигеназа играет определенную роль в обмене веществ
растительного организма. Однако данные по этому вопросу почти отсутствуют,
и экспериментальные исследования в этом направлении весьма желательны.
Трансферазы (2)
К классу трансфераз принадлежат ферменты, катализирующие перенос це-
лых атомных группировок от одного соединения к другому. Так, под действием
фосфотрансфераз происходит перенос остатков фосфорной кислоты от аденозин-
трифосфата на глюкозу или фруктозу. При этом образуются аденозин дифосфат
и фосфорный эфир соответствующего сахара:
фосфотоанс-
фераза
. Аденозинтрифосфат 4- глюкоза --- —> глюкозо-6-фосфат 4- аденозин дифосфат.
Образовавшийся глюкозо-6-фосфат может далее, под действием фосфотранс-
феразы, присоединять еще один остаток фосфорной кислоты, получив его от но-
вой молекулы аденозинтрифосфата:
фосфотранс-
фераза
Глюкозо-6-фосфат 4- аденозинтрифосфат — -» г л юкозо-1,6-дифосфат 4- аденозиндифосфат.
Фосфотрансфераза, катализирующая образование гексозофосфата из гек-
созы и аденозинтрифосфорной кислоты, получила название гексокиназы 2.7.1.1.,
а фермент, под действием которого из гексозомонофосфата образуется гексозоди-
фосфат, — фосфогексокиназы (2.7.1.11). Гексокиназа найдена в животных
тканях, дрожжах, листьях шпината, семенах пшеницы и гороха, проростках
Рис. 39. Кристаллическая гексоки-
наза из пекарских дрожжей (увели-
чено в 135 раз)
овса и клубнях картофеля. Она получена
из дрожжей в виде белковых кристаллов
(рис. 39).
Под действием соответствующей фос-
фотрансферазы происходит также фосфо-
рилирование пировиноградной кислоты,
одного из важнейших промежуточных про-
дуктов дыхания и брожения:
Аденозинтрифосфат 4- пировиноградная кислота
фосфотранс-
фераза
- — ---> фосфопировиноградная кислота 4-
аденозиндифосфат.
Мы уже указывали ранее (см. с. 57),
что аденозинтрифосфат содержит две высо-
коэнергетические связи; при гидролизе
такой связи освобождается около 7000 ка-
лорий на грамм-молекулу отщепленного
фосфата. Расщепление аденозинтрифосфата
(АТР + НОН^> АМР 4- пирофосфат) ката-
лизирует фермент аденозинтрифосфатаза
(АТРаза, 3;6.1.8).
120
Окисление
неорганических
соединений
Фотосинтез
Дыхание
брожение
Окисление
аминокислот
и жирных
кислот
ATP
Активация
различных
соединений
Биосинтезы
различных
. соединений и
макромолекул
ADP
Свет й
электричество
Механическая
работа
Поглощение
и транспорт
веществ
+ Рнеорг.
Рис. 40. Схема путей образования и потребления АТР живыми орга-
низмами.
Слева показаны процессы, поставляющие энергию, запасаемую в высокоэнергетических
связях АТР, справа — процессы, в которых АТР используется в качестве источника
энергии
Связь между фосфорной кислотой и аденозином низкоэнергетическая, встре-
чающаяся в ряде фосфорорганических соединений; при ее гидролизе освобожда-
ется энергия, соответствующая 2000—3000 калорий на одну грамм-молекулу от-
щепленного фосфата.
Различия в энергии, освобождающейся при гидролизе различных фосфат-
ных связей, ясно видны из нижеследующих данных:
Соединение «Запас энергии*
фосфатной связи,
кал
Глюкозо-6-фосфат.................................... 3000
Фруктозо-6-фосфат................................... 3500
Глюкозо-1-фосфат.................................... 4750
Фруктозо-1,6-дифосфат............................ 2000—3000
З-Фосфо глицериновый альдегид................. 2000—3000
З-Фосфоглицериновая кислота............• . . . 2000—3000
Адениловая кислота............................... 2000—3000
Аденозиндифосфат (связь 1).......................... 7300
Аденозинтрифосфат (связь 2)......................... 7600
В высокоэнергетических связях АТР запасается энергия, освобождающаяся
при экзергонических реакциях диссимиляции и используемая на различные
нужды живого организма. Таким образом, АТР является аккумулятором энергии,
освобождающейся при дыхании, брожении и окислении различных соединений
и затем используемой как источник химической энергии, необходимой для осу-
ществления разнообразных процессов жизнедеятельности, активации и биосин-
теза тех или иных соединений, механической работы, поглощения и транспорта
веществ (рис. 40).
Кроме аденозиндифосфата и аденозинтрифосфата высокоэнергетические
фосфатные связи содержатся также в некоторых других органических соедине-
ниях1. К их числу принадлежат:
1 Знаком (р) обозначен остаток фосфорной кислоты Н2РО3.
121
Фосфоенолпировино-
градная кислота
сн2=с—<
_ХОН
с «энергией фосфатной
связи» 14 800 кал
Ацетилфосфат
с «энергией фосфатной
сн3—связи» 7 700 кал \
а также 1,3-дифосфоглицериновая кислота, в которой одна из фосфатных связей
является низкоэнергетической, а одна — высокоэнергетической с «запасом
энергии», равным 10 100 кал:
снон—cf
Ранее отмечалось, что аналоги АТР — другие нуклеозидтрифосфаты: гуано-
зинтрифосфат, цитидинтрифосфат, уридинтрифосфат и т. д. — также содержат
по две высокоэнергетические связи, а соответствующие нуклеозиддифосфаты:
гуанозиндифосфат, цитидиндифосфат, уридиндифосфат и т. д. — по одной высо-
коэнергетической связи. Однако источником энергии при синтезе большинства
названных выше высокоэнергетических соединений является АТР.
В некоторых низших организмах — дрожжах, плесневых грибах, отдель-
ных видах водорослей — содержатся высокоэнергетические соединения неорга-
нической природы, называемые полифосфатами. Полифосфаты, по-видимому,
имеют следующее строение:
О—Na О—Na О—Na
I I I
Na—О—Р—• • «-Р-----Р—О—Na
п
Полифосфаты имеют различные молекулярные массы: у низкомолекулярных
полифосфатов п равно 3—10, у высокомолекулярных — 40—70.
Открыты ферменты, переносящие остатки фосфорной кислоты с других вы-
сокоэнергетических соединений (АТР, 1,3-дифосфоглицериновой кислоты) на
полифосфаты, и наоборот — с полифосфатов на глюкозу, АМР и ADP.
Некоторые фосфотрансферазы катализируют перенос остатков фосфорной
кислоты без участия АТР или другого нуклеозидтрифосфата. К числу подобных
фосфотрансфераз принадлежит фермент фосфоглюкомутаза (2.7.5.1), катали-
зирующий взаимное обратимое превращение глюкозо-1-фосфата и глюкозо-6-
фосфата:
Глюкозо-1-фосфат Глюкозо-6-фосфат
122
В действительности реакция происходит более сложным путем, а именно:
глюкозо-1,6-дифосфат + глюкозо-1-фосфат=глюкозо-6-фосфат -f- глюкозо-1,6-
дифосфат.
Таким образом, может создаться впечатление, что фосфо глюкомутаза ката-
лизирует внутримолекулярный перенос остатков фосфорной кислоты, т. е. ре-
акцию изомеризации, в то время как в действительности она катализирует пере-
нос остатков фосфорной кислоты от одной молекулы к другой.
Большую роль в обмене веществ играет реакция переаминирования, откры-
тая в 1937 г. советскими биохимиками А. Е. Браунштейном и М. Г. Крицман.
Реакция заключается в межмолекулярном переносе аминогруппы с аминокисло-
ты на кетокислоту и катализируется ферментами, получившими название амино-
трансфераз (2.6.1). Наиболее интенсивно протекают следующие реакции пере-
аминирования:
аминотрансфераза
1) НООС—CH2—CH2—CHNH2—СООН + НООС—СО—СН2—СООН ч----------
Глютаминовая Щавелевоуксусная кислота
кислота
НООС—СН2—СН2—СО—СООН + НООС—CHNH2—CH2—СООН
а-Кетоглютаровая кислота Аспарагиновая кислота
аминотрансфераза
2) НООС—CH2—CH2—CHNH2—СООН + СНз-СО-СООН <- ---.zzzt
Глютаминовая кислота Пировиноградная
кислота
СН3—CHNH2—СООН 4- НООС—сн2-сн2—со-соон
Аланин а-Кетоглютаровая кислота
аминотрансфераза
3) НООС—CH2—CHNH2—СООН + СН3—СО—СООН z==^
Аспарагиновая кислота Пировиноградная
кислота
СН3—CHNH2—СООН + НООС—СН2—СО—СООН
Аланин Щавелевоуксусная кислота
Работами А. Мейстера показано, что под влиянием соответствующих амино-
трансфераз аспарагин и глютамин также могут передавать свои аминные
группы кетокислотам.
Ю. А. Овчинниковым, А. Е. Браунштейном и их сотрудниками пока-
зано, что аминотрансфераза, катализирующая реакцию переаминирования
между глютаминовой и щавелевоуксусной кислотами (аспартатами-
нотрансфераза, 2.6.1.1), представляет собой белок, образованный двумя поли-
пептидными цепочками, состоящими из 412 аминокислотных остатков каждая.
Аминотрансферазы — двухкомпонентные ферменты, кофермент которых фос-
фопиридоксаль — производное витамина В6, соединенное с остатком фосфорной
кислоты:
Фосфопиридоксаль
При переаминировании реакция идет в несколько этапов.
1. Образование комплекса между реагирующей аминокислотой и фосфо-
пиридоксалем аминотрансферазы.
123
2. Внутримолекулярная перегруппировка образовавшегося комплекса, рас-
падающегося далее на соответствующую аминокислоте кетокислоту и фосфопири-
доксаминовую форму аминотрансферазы, в которой кофермент представляет со-
бой фосфопиридоксамин:
ch2nh2
Н3С
с—сн2о(р
Фосфопиридоксамин
3.. Фосфопиридоксаминовая форма аминотрансферазы затем реагирует с
участвующей в переаминировании кетокислотой, образуя новый комплекс.
4. Образовавшееся комплексное соединение также подвергается внутримо-
лекулярной перегруппировке, после чего оно распадается на новую аминокисло-
ту и исходную пиридоксалевую форму аминотрансферазы.
Аминотрансферазы найдены у микроорганизмов, растений и животных.
Помимо фосфотрансфераз и аминотрансфераз открыты ферменты, катали-
зирующие перенос метильных и других групп. Изученный В. дю-Виньо фермен-
тативный перенос метильных.групп СН3 имеет большое значение в процессе син-
теза холина, являющегося составной частью лецитинов; холин относят к группе
витаминов В. Он регулирует жировой обмен в животном организме. Холин син-
тезируется из метионина и аминоэтилового спирта (этаноламина) в соответствии
со следующим уравнением:
SCH, (СН3)3 SH
nh2 1 III 1
1 СН2 N+ ... ОН“ сн2
сн2 + 3 | + Н2о «=> 1 + 3 1
1 СН2 сн2 сн2
СН2ОН | 1 1
chnh2 СН2ОН CHNH2
1 соон 1 соон
Этаноламин Метионин Холин Гомоцистеин
Исследования Р. Бьеррума, О. Гофман-Остенхофа и других показали, что
метионин является важным источником метильных групп при синтезе пектино-
вых веществ, лигнина, алкалоидов, метилированных производных инозита.
Приведенная'выше реакция может идти и в обратном направлении. При этом
метионин образуется в результате взаимодействия холина и аминокислоты гомо-
цистеина, представляющей собой продукт деметилирования метионина. Гомо-
цистеин далее может передавать свою сульфгидрильную группу серину с образо-
ванием промежуточного комплекса, распадающегося на гомосерин и цистеин:
CH2SH 1 CH2-S- 1 -сн2 СН2ОН 1 1 CH2SH
сн2 СН2ОН 1 — Н2О сн2 > 1 CHNH, + Н2О СН2 1
1 + 1 ' —> 1 + chnh2
chnh2 1 chnh2 1 CHNH, 1 соон chnh2 1 1 соон
соон соон соон соон
Гомоцистеин Серин Гомосерин Цистеин
В составе белков гомоцистеин не найден.
Имеются также ферменты, катализирующие межмолекулярный перенос бо-
лее крупных группировок — остатков аминокислот и моносахаридов. Установ-
124
лено, что такие протеолитические ферменты, как папаин или химотрипсин, кото-
рым приписывалась только лишь гидролитическая функция, катализируют так-
же межмолекулярный перенос остатков аминокислот (реакция транспептидации).
Так, при действии на смесь бензоилти'розилглицинамида и меченного изотопным
азотом N15 глицинамида эти ферменты катализируют замещение остатка глицин-
амида в молекуле бензоилтирозилглицинамида остатком меченого глицинамида.
Происходит следующая реакция:
R
| ( j-----------1
С6Н5—СО—NH—СН—СО—NH—СН2—СО—NH2 + [N15H2—СН2СО—NH2I
R ОН
I I
с6н5—СО—NH—сн—с—nhch2co—nh2
n N15H—CHj-CO—nh2
R
I r-_-----------J
C6H5—CO—NH—CH—co— in15h—ch2—co—nh2j +. nh2—ch2—co—nh2
где R — остаток CH2C6H4OH.
Из листьев капусты выделен фермент, катализирующий перенос остатков
глицина с различных пептидов на те или иные аминокислоты. Под действием
этого фермента идут, например, следующие реакции:
Источник остатков
глицина
Глицилглицин
Глицилглицин
Глицилглицин
Глицилглицин
Глицилглицилглицин
Акцептор остатков
глицина
Фенилаланин
Лейцин
Триптофан
Метионин
Фенилаланин
Вновь образующийся
пептид
Г лицилфенилаланин
Глициллейцин
Г лицилтриптофан
Глицилметионин
Г лици лфени лал анин
Путем ферментативного переноса остатков аминокислот могут быть синтези-
рованы весьма сложные полипептиды. Очевидно, реакции транспептидации могут
играть важную роль в процессе биосинтеза пептидов.
Аналогичным образом в молекулах полисахаридов может происходить про-
цесс ферментативного перегликозилирования — замещение остатка одного моно-
сахарида остатком другого. Так, может происходить замена остатка фруктозы
в молекуле сахарозы на остаток сорбозы:
Сахароза сорбоза глюкозидосорбозид 4- фруктоза.
Ферменты, катализирующие перенос остатков моносахаридов, получили
название гликозилтрансф ераз (2.4). К числу гликозилтрансфераз относят фер-
менты, которые до сих пор были известны под названием фосфорилаз. Они широко
распространены в растениях, животных и микроорганизмах. Представителем
фосфорилаз является крахмальная фосфорилаза (а-глюканфосфорилаза; 2.4.1.1),
катализирующая' превращение крахмала или гликогена в глюкозо-1-фосфат.
Это превращение аналогично гидролизу, но с той разницей, что вместо воды
действует фосфорная кислота (Р в кружке обозначает остаток фосфорной кисло-
ты — Н2РО3):
125
Фосфорилазы относят к группе глюкозилтрансфераз, так как они катали-
зируют перенос глюкозильного остатка на фосфорную кислоту.
Реакция фосфоролиза обратима. Однако для того чтобы фосфорилаза синте-
зировала in vitro из глюкозо-1-фосфата крахмал или гликоген, необходимо при-
сутствие в реакционной смеси незначительных количеств этих полисахаридов,
действующих как «затравка».
Фосфорилаза картофеля имеет молекулярную массу 207 000 и оптимум действия при
pH 6,5—6,6. Для ее действия необходимо наличие свободных сульфгидрильных групп, так
как действие фермента ингибируется реактивами, связывающими SH-группы, например
/г-хлормеркурибензоатом.
Синтез крахмала в растениях происходит путем реакции трансгликозилиро-
вания при участии UDP глюкозы или ADP глюкозы (см. с. 186). Фосфорилаза
не участвует в синтезе крахмала, а расщепляет его до глюкозо-1-фосфата.
Фосфорилаза картофеля, гороха и созревающей кукурузы in vitro синтези-
рует из глюкозо-1-фосфата полисахарид, сходный с натуральным крахмалом,
а фосфорилаза печени образует полисахарид, напоминающий гликоген.
К числу гликозилтрансфераз принадлежит также декстрансахараза (2.4.1.5)
— фермент, впервые найденный в 1942 г. советскими биохимиками Б. О. Ка-
ганом, Ш. Н. Ляткером и Э. М. Цфасманом у бактерии Leuconostoc mesenteroides.
Эта бактерия вызывает ослизнение сахарных растворов в диффузорах —не-
желательный процесс, иногда приводящий к большим потерям сахара в сахарном
производстве.
Фермент сахароза-глюкозилтрансфераза (сахарозофосфорилаза; 2.4.1.7),
катализирует взаимодействие сахарозы и ортофосфата с образованием глюкозо-
1-фосфата и фруктозы:
Сахароза + ортофосфат глюкозо-1 -фосфат 4* фруктоза.
Из приведенной схемы очевидно, что данная реакция обратима и что таким
путем у некоторых бактерий может происходить ферментативный синтез сахарозы
из глюкозо-1-фосфата и фруктозы.
Структурная схема фосфоролиза сахарозы такова:
126
Сахарозофосфорилаза обладает специфическим сродством к глюкозе. Она не
реагирует с другими гексозофосфатами —галактозо-1-фосфатом, маннозо-1-
фосфатом и ксилозо-1-фосфатом, она менее специфична по отношению к фруктозе.
Так, в реакции с глюкозо-1-фосфатом, происходящей под действием сахарозо-
фосфорилазы, фруктоза может быть заменена ксилокетозой, арабокетозой и сор-
бозой, причем образуются соответствующие невосстанавливающие дисахариды,
аналогичные сахарозе.
К группе гликозилтрансфераз относится также фермент пуриннуклеозид-
фосфорилаза (2.4.2.1) (нуклеозидаза), осуществляющий в присутствии фосфор-
ной кислоты расщепление нуклеозидов на соответствующее азотистое основание
и пентозофосфат. Реакция идет, например, так:
Остаток гуанина—остаток рибозы Ч-Н3РО4 гуанин Ч-рибозо-1-фосфат.
В заключение необходимо подчеркнуть, что ферментативный перенос раз-
личных атомных группировок и остатков целых молекул играет весьма важную
роль в обмене веществ. Вместе с тем нужно отметить, что за последние годы на-
капливаются экспериментальные данные, свидетельствующие о том, что один
и тот же фермент может катализировать как реакцию гидролиза, так и реакцию
переноса тех или иных групп, т. е. может одновременно обладать гидролитиче-
ским и трансферазным действием. Например, препараты некоторых фосфатаз
одновременно могут также катализировать фосфоролиз. Типичные гидролити-
ческие ферменты — папаин и химотрипсин катализируют также реакции транс-
пептидации, т. е. межмолекулярного переноса остатков аминокислот. Сахараза
(инвертаза) катализирует не только гидролиз сахарозы, но и реакцию фермента-
тивного перегликозилирования.
Гидролазы (3)
Класс гидролаз весьма обширен, и его подразделяют на ряд подгрупп.
Эстеразы —ферменты, катализирующие реакции расщепления и синтеза
сложных эфиров в соответствии с уравнением
R—СО—О—Rx + Н2О R—СООН Ч- RiOH
где R —остаток органической (или неорганической) кислоты, a Rx —остаток
спирта или фенола.
Карбогидразу —ферменты, катализирующие реакции типа
R-0-Ri + Н2О ROH + HORt
где R —остаток моно-, ди- или полисахарида, a Rt может быть также моно-, ди-
или полисахаридом или же веществом неуглеводной природы, содержащим спир-
товую или фенольную группу (например, агликоны в гликозидах). Кислород-
ная связь в веществах, расщепляемых карбогидразами, имеет характер ацеталь-
ной или эфирной связи.
127
Протеазы. Ферменты, принадлежащие к этой подгруппе, катализируют
реакции расщепления белка и полипептидов:
RCONHR' + Н2О RCOOH + H2NR' !
где R и R' —остатки аминокислот, ди- иди полипептидов.
Амидазы —ферменты, катализирующие следующую реакцию:
R' R'
I I
R"=C—NHR + Н2О R"=C—ОН + H2NR
где R —водородный атом или остаток орнитина, R' —аминная группа NH2
или же остаток дикарбоновой аминокислоты и R" — иминная группа =NH или
атом кислорода.
Эстеразы (3.1). Среди эстераз прежде всего необходимо отметить различные
липазы —ферменты, катализирующие гидролитическое расщепление и синтез
жиров в соответствии с уравнением
СН2—О—OC-Ri СН2-ОН
| липаза |
СН—О— ОС—R2 + ЗН2О 5=* СН—ОН + RjCOOH + R2COOH + R,COOH
СН2—О—ОС—R3 СН2—ОН
где Rb R2 и R3 —радикалы высокомолекулярных жирных кислот: пальмитино-
вой, олеиновой, стеариновой и др. Таким образом, липазы являются фермента-
ми, действие которых направлено на сложноэфирную связь между глицерином
и высокомолекулярными жирными кислотами. Все липазы имеют шифр 3.1.1.3.
Однако липазы различного происхождения весьма существенно различаются
по свойствам и характеру действия.
В организме животных и человека наиболее активная липаза содержится в
соке, выделяемом поджелудочной железой, а также в печени.
В растениях и микроорганизмах липаза содержится в двух формах —в виде
нерастворимого и растворимого ферментов. Нерастворимая липаза содержится в
семенах клещевины. С помощью липазы клещевины можно не только произвести
гидролиз жира, но при соответствующих условиях синтезировать глицерид. Кле-
щевинная липаза обладает большой специфичностью действия, она почти не дей-
ствует на водорастворимые эфиры глицерина и низкомолекулярных жирных ки-
слот— уксусной, пропионовой, валериановой и др. Оптимум действия липазы
клещевины соответствует pH 3,6.
Липаза, содержащаяся в семенах злаков, многих масличных культур и в
микроорганизмах, является растворимым ферментом в противоположность ли-
пазе клещевины. Она также существенно отличается от липазы клещевины в том
отношении, что оптимум ее действия на растительные масла находится при pH 8
(рис. 41). Действие липазы имеет большое значение при хранении муки и круп,
особенно содержащих большое количество жира (напри-
мер, пшено). При повышенной влажности этих продук-
тов и повышенной температуре хранения липаза быстро
расщепляет глицериды с образованием свободных жир-
ных кислот, что приводит к повышению кислотности
продукта и его быстрому прогорканию.
К группе эстераз относится танназа (3.1.1.20) —
фермент, катализирующий гидролитическое расщепле-
ние таннина. Таннин —это сложные эфиры ароматиче-
ских кислот и фенолов или углеводов. Танназа имеет
строгую специфичность действия—она расщепляет толь-
ко те сложные эфиры, в кислотном компоненте которых
Рис. 41. Зависимость
действия липазы пше-
ничного зерна от pH
128
имеется по крайней мере два фенольных гидроксила. Пример такого сложно-
го эфира —дидепсид орселлиновой кислоты —леканоровая кислота, содержа-
щаяся во многих лишайниках:
Н СН3 Н СН3
с—о с—с
J 4s J J 4s
НО-С С—С-0—с с—соон
\=с
I \ I \
н он н он
Танназа найдена в плесневых грибах и лишайниках. С помощью препара-
та танназы, получаемого из плесневых грибов, можно произвести фермента-
тивный синтез метадигалловой кислоты из галловой кислоты.
Во всех зеленых растениях содержится специфическая эстераза, получившая
название хлорофиллазы (3.1.1.14), весьма активно действующая в спиртовых
растворах и осуществляющая реакцию «переэстерификации» хлорофилла. Эта ре-
акция заключается в том, что фермент отщепляет от хлорофилла остаток фитола
и заменяет его остатком того спирта, в среде которого ведется реакция:
хлорофиллаза
RCOOC20H39 + С2н5он-----------> RCOOC2H5 + С20Н39ОН
Хлорофилл Этиловый Этилхлоро- Фитол
спирт филлид
Оптимум действия хлорофиллазы находится при pH 5,9. Весьма интересно
то обстоятельство, что активность хлорофиллазы в листьях особенно велика в мае
и сентябре, т. е. в то время, когда интенсивность образования и распада хлоро-
филла наибольшая.
К эстеразам относят также пектинэстеразу, или пектазу (3.1.1.11) —один
из ферментов, осуществляющих гидролитическое расщепление пектиновых
веществ. Растворимый пектин представляет собой сложный эфир полигалакту-
роновой кислоты и метилового спирта (см. с. 180). Пектаза расщепляет эту
сложноэфирную связь с образованием свободной полигалактуроновой кислоты
и метилового спирта. Образующаяся полигалактуроновая кислота легко дает
пектаты —нерастворимые кальциевые соли, выпадающие в осадок. Пектаза со-
держится в различных микроорганизмах, особенно в плесневых грибах, а также
в высших растениях (люцерне, картофеле, в плодах цитрусовых растений и др.).
Действие всех рассмотренных нами до сих пор эстераз направлено на рас-
щепление сложноэфирной связи, образуемой спиртами и органическими кисло-
тами. Имеются, однако, специфические эстеразы, расщепляющие
сложные эфиры, образуемые неорганическими кислотами: серной
и фосфорной. Имеются также ферменты, катализирующие гид-
ролиз тиоэфиров, например фермент тио гликозидаза (3.2.3.1) или мирозиназа,
гидролизующие тиогликозиды, например глюкозид синигрин, содержащийся
в семенах черной горчицы (см. с. 309). При увлажнении растертых семян горчицы
под действием мирозиназы синигрин расщепляется на глюкозу, изородановый
эфир аллилового спирта и бисульфат калия:
СбНпО5 мирозиназа
СН2=СН—СН2—С + Н2О---------->
^N-0-SOsK
Синигрин
С6Н12О6 + СН2=СН—СН2—N=C=S + KHSO4
Глюкоза Изородановый эфир Бисульфат
аллилового спирта калия
5-596
,129
U__I___I__I__LJ—
3,5 4,5 5,5 6,5 7,9рН
Рис. 42. Зависимость
действия фитазы пше-
ничной муки от pH
Фосфатазы — ферменты, гидролизующие сложные эфи-
ры фосфорной кислоты, чрезвычайно широко распростра-
нены в животных, растениях и микроорганизмах. Фосфа-
тазы отличаются друг от друга по химической природе гид-
ролизуемых ими субстратов. В соответствии с этим раз-
личают:
1. Гидролазы фосфомоноэфиров 3.1.3. К ним относят-
ся, например, фосфатазы, гидролизующие глицерофосфат,
глюкозо-1-фосфат и глюкозо-6-фосфат, а также фитаза
и нуклеотидазы, гидролизующие рибонуклеотиды.
Фитаза отщепляет фосфорную кислоту от инозитфо-
сфорной кислоты, которая в виде Са—Mg-соли представля-
ет собой фитин. Весьма активная фитаза содержится в
дрожжах и в семенах многих растений. Оптимум действия
фитазы, содержащейся в пшеничном зерне, находится при pH 5,8 (рис. 42). Фи-
таза играет большую роль в качестве фактора пищевой ценности хлеба. Инозит-
фосфорная кислота, образуя нерастворимые соли с кальцием, препятствует его
усвоению организмом человека. Поэтому фитаза дрожжей и муки, расщепляющая
в процессе брожения теста большую часть содержащейся в нем инозитфосфор-
ной кислоты, способствует таким образом лучшему усвоению солей кальция.
2. Гидролазы фосфодиэфиров 3.1.4. К ним относятся, например, ферменты,
катализирующие гидролиз нуклеиновых кислот,— рибонуклеазы и дезоксирибо-
нуклеазы, а также фермент, катализирующий гидролиз фосфатидилхолина (леци-
тина).
Рибонуклеаза /(панкреатическая рибонуклеаза) (3.1.4.22) расщепляет рибо-
нуклеиновые кислоты. Она получена в кристаллическом виде и представляет
собой белок с молекулярной массой 14 000. Работами лабораторий С. Мура и
Б. Анфинсена полностью расшифрована структура молекулы рибонуклеазы I.
Молекула этого фермента представляет собой полипептидную цепь, состоящую из
124 аминокислотных остатков и содержащую четыре дисульфидные связи
(рис. 43). Рибонуклеаза растений {рибонуклеаза II, 3.1.4.23) отличается по ме-
ханизму действия от рибонуклеазы I. К этой же группе относятся также различ-
ные дезоксирибонуклеазы, катализирующие гидролиз дезоксирибонуклеиновых
кислот.
Рибонуклеаза II, дезоксирибонуклеазы и нуклеотидазы обнаружены в листь-
ях и прорастающих семенах различных растений. Эти ферменты различаются
рядом свойств, в частности отношением к pH (рис. 44).
Фосфатазы, содержащиеся в различных тканях и клетках, различаются не
только действием на моно-или диэфиры фосфорной кислоты, но также по зонам pH,
оптимальным для их действия. Некоторые из них имеют оптимум значения pH
около 9 (щелочные фосфатазы), другие — при pH 5—6 (нейтральные фосфатазы),
третьи — при pH 3—4 (кислые фосфатазы).
Весьма активные фосфатазы обнаружены в пшеничном зерне и клубнях кар-
тофеля. В картофеле найдена фосфатаза с оптимумом действия при pH 5,8 и ще-
лочная фосфатаза, имеющая оптимум действия при pH 8; щелочная фосфатаза
катализирует гидролитическое расщепление фруктозо-6-фосфата и фруктозо-1,6-
дифосфата. В картофельных клубнях найдена также чрезвычайно активная
апираза — кислая фосфатаза, катализирующая отщепление двух остатков фос-
форной кислоты от аденозинтрифосфорной кислоты (3.6.1.5).
В связи с тем что фосфорные эфиры сахаров и аденозинтрифосфорная кис-
лота играют первостепенную роль при ферментативных превращениях углеводов,
несомненно, что высокая активность фосфатаз в картофеле теснейшим образом
связана с процессом биосинтеза крахмала.
Карбогидразы (3.2). Карбогидразы представляют собой ферменты, катали-
130
4
3
2
1
54
53
52
51
50
49
21
22
23
24
25
I 26
27
28
29
30
31
32
40
Рис. 43. Первичная структура панкреатической рибонуклеазы
Необходимо отметить, что скорость расщепления амилазами крахмала раз-
личного происхождения, получаемого из зерна разных культур и сортов или из
разных частей одного и того же растения, различна. Эта различная податливость
крахмала к действию амилазы, по предложению А. И. Опарина, получила на-
звание атакуемости крахмала. Т<ким образом, скорость расщепления крахмала
амилазой зависит не только от количества и активности ферментов, но также
от атакуемости субстрата. Атакуемость крахмала амилазами увеличивается с
уменьшением размеров крахмальных зерен или, иначе говоря, с увеличением их
относительной поверхности. Атакуемость крахмала амилазами резко возрастает
также при механическом нарушении структуры крахмальных зерен, при их дли-
тельном перетирании в ступке или при слишком длительном помоле зерна.
Однако действие амилазы на неизмененные или даже механически повреж-
денные крахмальные зерна является весьма слабым по сравнению с их действием
на оклейстеренный крахмал. Поэтому в целом ряде отраслей пищевой промышлен-
ности, например в спиртовой промышленности, осахаривание крахмала солодом
(источник активной амилазы) производится лишь после заваривания муки или
измельченного картофеля.
Со времени открытия амилазы Кирхгофом в течение длительного времени
считалось, что она представляет собой один фермент. В настоящее время установ-
лено наличие трех амилаз: а-амилазы, Р-амилазы и глюкоамйлазы; различаются
они по свойствам, распространению в природе и способу действия на крахмал.
а-Амилаза (3.2.1.1), иначе называемая декстриногенамилазой или глико-
геназой, содержится в слюне, пищеварительном соке, выделяемом поджелудоч-
ной железой, в плесневых грибах, в проросшем зерне пшеницы, ржи, ячменя.
Амилаза (сахарогенамилаза, 3.2.1.2) содержится в зерне пшеницы, ржи,
ячменя, в соевых бобах.
Эти два фэрмента существенно различаются по характеру действия на ком-
поненты крахмала —амилозу и амилопектин. Р-Амилаза расщепляет амилозу
нацело, превращая ее на 100% в мальтозу. Если субстратом для действия Р-ами-
лазы служит амилопектин, то она расщепляет его на мальтозу и декстрины, даю-
щие коричнево-красное окрашивание с иодом. Р-Амилаза расщепляет с образо-
ванием мальтозы лишь свободные концы глюкозных цепочек; действие ее прек-
ращается. когда дело доходит до разветвлений в молекуле амилопектина (рис. 46).
Поэтому Р -амилаза расщепляет амилопектин с образованием мальтозы всего
лишь на 54°/0. Декстрины, образовавшиеся при действии Р-амилазы на амило-
пектин, гидролизуются а-амилазой с образованием декстринов, обладающих
меньшей молекулярной массой и не дающих окрашивания с иодом. При после-
дующем, очень длительном действии а-амилазы на крахмал в конце концов около
85% его превращается в мальтозу.
100% гидролиза
Амилопектин
Рис. 46. Схема действия 0-амилазы на амилозу и амилопектин
134
Таким образом, при действии на крахмал Р-амилазы
образуется главным образом мальтоза и незначительное
количество высокомолекулярных декстринов. При действии
на крахмал а-амилазы образуются главным образом дек-
стрины меньшей молекулярной массы и незначительное
количество мальтозы.
Ни а-, ни Р-амилазы в отдельности не могут полностью
гидролизовать крахмал или гликоген с образованием маль-
Рис. 47. Влияние pH
на а-амилазу (/) и
Р-амилазу (2) пророс-
шего зерна ржи
тозы. При одновременном действии обеих амилаз крахмал
гидролизуется на 95%.
а- и р-Амилазы различаются также по своему отноше-
нию к реакции среды: а-амилаза гораздо более чувстви-
тельна к подкислению. Это ясно показано на рис. 47, на
котором изображена зависимость действия а - и р-амилазы проросшего ржаного
зерна от pH.
Мы уже указывали выше, что в проросшем зерне пшеницы и ржи содержится
весьма активная а-амилаза. Поэтому в процессе брожения теста, приготовляе-
мого из муки, полученной из проросшего зерна, в нем накапливается значитель-
ное количество декстринов, придающих мякишу хлеба плохую эластичность,
заминаемость, недостаточную пористость и неприятный вкус. Поскольку а-ами-
лаза весьма чувствительна к повышению кислотности и резко понижает при этом
Рис. 48. Температурный оптимум а-ами-
лазы (/) и Р-амилазы (2) пшеничного
зерна
Рис. 49. Кристаллы а-амилазы плесневого
гриба Aspergillus oryzae (у велич. в 150раз)
свою активность, тесто из муки, полу-
ченной из проросшего зерна, замешива-
ют обычно на так называемых жидких
дрожжах или молочнокислых заквас-
ках. Таким образом обеспечивают нако-
пление в тесте повышенного количества
молочной кислоты, угнетающей а-ами-
лазу и нежелательное образование дек-
стринов.
а- и р-Амилазы различаются также
по термостабильности и температурному
оптимуму действия. а-Амилаза более ус-
тойчива к действию повышенных темпе-
ратур; ее температурный оптимум, как
это показано на рис. 48, лежит несколь-
ко выше, чем температурный оптимум
Р-амилазы. Амилаза поджелудочной же-
лезы, амилаза плесеней и бактерий, а-
и р-амилазы ячменного солода получены
в настоящее время в виде белковых кри-
сталлов (рис.49). а-Амилаза Aspergillus
oryzae имеет молекулярную массу 51 860.
Весьма интересным обстоятельством
является то, что семена растений раз-
личаются по содержанию в них а- и Р-
амилазы. В непроросших семенах пше-
ницы, ржи и ячменя содержится толь-
ко лишь р-амилаза; а-амилаза образу-
ется в них только лишь, при прораста-
нии. В соевых бобах, как непроросших,
так и проросших, содержится только
Р амилаза. В непроросших семенах сор-
го содержится главным образом а-ами-
135
лаза. Таким образом, весьма широко распространенное мнение о том, чтоа-ами-
лаза содержится лишь в проросшем зерне, неправильно.
Мы уже отмечали ранее, что ферменты могут присутствовать в клетке в свя-
занном с белками состоянии, и тогда они не обладают гидролитической активно-
стью. А. И. Опарин с сотрудниками показали, что в результате связывания ами-
лазы с белками и дубильными веществами происходит ее полное инактивиро-
вание.
Подобного рода связывание амилаз с белками играет большую роль в ка-
честве фактора, регулирующего их действие в прорастающем и созревающем
зерне. Амилаза имеет большое значение в хлебопекарной, пивоваренной, спир-
товой и текстильной промышленности.
Брожение теста и накопление в нем углекислого газа, разрыхляющего его
и придающего хлебу равномерную пористость и хороший объем, зависят от со-
держания в тесте сбраживаемых дрожжами сахаров. В свою очередь содержа-
ние сахара в тесте зависит не только от количества сахара, присутствующего в
муке, но также от скорости накопления мальтозы при действии амилазы на крах-
мал. С другой стороны, как указывалось, слишком энергичное действие а-амила-
зы, содержащейся в большом количестве в муке из проросшего пшеничного
или ржаного зерна, вызывает избыточное накопление в тесте декстринов и вслед-
ствие этого ухудшение качества хлеба—его пористости, физических свойств
мякиша, вкуса.
Солод, применяемый при изготовлении пива и при осахаривании карто-
фельных или мучных заторов в спиртовой промышленности, является, в сущности
говоря, источником активной амилазы, вызывающей превращение крахмала в
сбраживаемый сахар —мальтозу. Весьма активный «грибной солод» может быть
получен из различных плесневых грибов, особенно из Aspergillus oryzae. Грибной
солод с успехом применяется в спиртовой и хлебопекарной промышленности.
Глюкоамилаза (3.2.1.3) гидролизует крахмал с образованием преимущест-
венно глюкозы и небольшого количества декстринов. Препараты глюкоамилазы
получают из плесневых грибов. Поскольку этот фермент гидролизует крахмал
до глюкозы, с его помощью получают глюкозную патоку и кристаллическую глю-
козу. Особенно широко глюкоамилаза применяется для производства глюкозы
в Японии. Молекулярная масса глюкоамилазы из гриба Aspergillus niger равна
97 000.
Целлюлаза. Этот фермент производит гидролитическое расщепление клет-
чатки с образованием целлобиозы. Таким образом, целлюлаза является фермен-
том, как бы аналогичным р-амилазе, расщепляющей крахмал с образованием
мальтозы. Целлюлаза представляет собой комплекс двух ферментов —эндо-
глюканазы (3.2.1.4) и экзоглюканазы (3.2.1.74). Целлюлаза содержится в про-
росшем зерне, в некоторых бактериях и плесневых грибах. Особенно активен этот
фермент в грибах, развивающихся на древесине и являющихся, подобно «домово-
му грибу» (Merulius lacrymans), опасными вредителями древесины. Большое
количество активной целлюлазы выделяют также бактерии, живущие в желудке
травоядных животных. Способность этих животных переваривать и усваивать
клетчатку зависит именно от жизнедеятельности бактерий, населяющих их же-
лудок и растворяющих клетчатку с помощью целлюлазы.
Инулиназа (3.2.1.7). Этот фермент, называемый также инулазой, найден в
высших растениях* накапливающих большие количества инулина, а также в пле-
сневых грибах. Под действием инулиназы инулин гидролизуется с образова-
нием фруктозы.
Гемицеллюлозы. Под этим названием объединяются ферменты, катализирую-
щие гидролиз различных гемицеллюлоз. Гемицеллюлазы найдены в прорастаю-
щих семенах и плесневых грибах. Группа гемицеллюлаз изучена слабо. Плесне-
вый гриб Aspergillus niger содержит ксиланазу (3.2.1.32), гидролизующую кси-
136
ланы до ксилозы; молекулярная масса этого фермента находится в пределах
20 000—30 000.
Протопектиназа и полигалактуроназа (пектиназа). Пектиновые вещества
расщепляются под действием ряда ферментов. Расщепление протопектина про-
исходит под действием фермента протопектиназы, который, по-видимому, расщеп-
ляет связи между метоксилированной полигалактуроновой кислотой (см.с. 180)
и связанными с ней арабаном и галактаном. В результате образуется свободная
метоксилированная полигалактуроновая кислота (растворимый пектин), которая
в свою очередь гидролизуется под действием фермента пектазы (3.1.1.11).
Пектаза (см. с. 129) принадлежит к группе эстераз и ее правильнее называть
пектинэстеразой. Под действием пектинэстеразы происходит гидролитическое
отщепление метоксильных групп от растворимого пектина и образуются мети-
ловый спирт и полигалактуроновая кислота. Фермент полигалактуроназа
(3.2.1.15), часто называемый также пектиназой, катализирует гидролиз имею-
щихся в пектиновых веществах глюкозидных связей между не содержащими
метоксильных групп остатками галактуроновой кислоты.
Действие ферментов, катализирующих гидролиз пектиновых веществ, мо-
жет быть представлено схематически:
Арабан
Г алактан
Метоксилированная полигалак-
туроновая кислота
Действие протопектиназы
Полигалактуроназа
не действует
В отличие от пектинэстеразы, которая содержится как в высших растениях,
так и в различных микроорганизмах, полигалактуроназа встречается главным
образом у различных бактерий и плесневых грибов; в высших растениях она
встречается редко (в частности, она найдена в плодах томатов). Что касается
протопектиназы, то она изучена очень слабо, и даже высказываются сомнения
в существовании этого фермента.
Препараты, содержащие ферменты, гидролизующие пектиновые вещества,
получают обычно из различных плесневых грибов. Эти препараты применяются
в пищевой промышленности для осветления фруктовых соков и повышения их
выхода, а также для осветления плодовых и виноградных вин, в которых обычно
содержится большое количество растворимого пектина, затрудняющего фильт-
рование и являющегося причиной недостаточной прозрачности вин.
Протеазы (3.4). Протеазы являются ферментами, катализирующими гидро-
литическое расщепление белков и полипептидов в соответствии с уравнением
R—СО—J—NH-RX + НОН RCOOH + H?NRX
Таким образом, протеазы катализируют расщепление пептидной связи
—СО—NH—. Поэтому, согласно классификации ферментов, их называют пептид-
гидролазами. Протеазы обычно разделяют на пептидазы и протеиназы. Первые
из них катализируют гидролитическое расщепление полипептидов и дипептидов,
а вторые могут осуществлять непосредственно гидролиз белка. Однако, главным
137
образом благодаря работам М. Бергманна, наши представления о характере
действия протеаз изменились. Бергманн показал, что протеиназы — пепсин,
трипсин и папаин — гидролизуют пептидные связи не только в белках, но и в
различных полипептидах.
Аминопептидазы (3.4.11): Первая цифра шифра этой группы протеаз
обозначает класс гидролаз, вторая — подкласс пептидгидролаз, третья — груп-
пу аминопептидаз. Для действия аминопептидаз необходимо наличие в молекуле
субстрата свободной а-аминной группы:
R ; R'
I i I
H2N—СН—С—NH—СН—С ....
Особенно широко распространена в природе лейцинаминопептидаза (3.4.11.1).
Хотя этот фермент с наибольшей скоростью гидролизует соединения лейцина,
но он расщепляет также многие пептиды и амиды, содержащие другие N-концевые
аминокислоты. Фермент содержит цинк.
Карбоксипептидазы (3.4.12) расщепляют в полипептидах пептидную связь,
находящуюся рядом со свободной карбоксильной группой пептида:
СООН
X—СО—NH—С—Н
t \
: R
Место действия карбоксипептидазы
Карбоксипептидаза А (3.4.12.2) получена в кристаллическом состоянии, содер-
жится в кишечнике и широко используется в белковой химии для определения
С-концевых аминокислот. Карбоксипептидаза представляет собой металлофермент
с молекулярной массой 35 000, содержащий 1 грамм-атом прочно связанного Zn2 +
на моль белка.
Дипептидазы (3.4.13), как показывает название, катализируют гидроли-
тическое расщепление дипептидов на свободные аминокислоты. Так, например,
глицилглицин расщепляется глицилглициндипептидазой (3.4.13.1) на две молеку-
лы гликокола:
nh2
дипептидаза
.СООН + НОН----------> 2CH2(NH2)—СООН
CO-NH-CH2
Пролиназа (3.4.13.8) расщепляет только такие дипептиды, в образовании
пептидной связи которых принимает участие карбоксильная группа пролина.
Пролидаза (3.4.13.9) катализирует гидролитическое расщепление дапептидов,
в которых азот пролина связан кислотноамидной связью.
Н2С--СН2
I I =
Н2С СН—СО—;—NH—СН2—СООН + нон
NH
> Пролилглицин
138
Н2С---СН2
пролиназа Н2С СН—СООН + H2N—СН2—СООН
Гликокол
NH
Пролин
Н2С----СН2
Н2С СН-СООН
N
место действия пролидазы
со-сн2—nh2
Глицилпролин
Протеиназы, Среди протеиназ необходимо отметить пепсин, трипсин, химо-
трипсин и протеиназы типа папаина или катепсина.
Все эти протеиназы гидролизуют непосредственно белок. При этом из белка
образуются пептоны, полипептиды и свободные аминокислоты. Многие протеи-
назы способны вызывать створаживание молока.
Пепсины представляют собой протеиназы, выделяемые слизистой оболочкой
желудка. Пепсин может быть получен в виде белковых кристаллов с молекуляр-
ной массой 34 644. Молекула пепсина представляет собой одну полипептидную
цепочку, состоящую из 327 аминокислотных остатков.
Для действия пепсина оптимальным значением кислотности среды является
pH 1,2—1,5. Кристаллический пепсин обладает очень большой каталитической
активностью — 1 г его растворяет за два часа 50 000 г сваренного яичного белка
и вызывает створаживание 100 000 л молока.
Мы уже указывали ранее, что пепсин гидролизует не только белки, но также
полипептиды и дипептиды. Установлено, что он преимущественно расщепляет
лишь те пептидные связи, в образовании которых принимают участие аминные
группы тирозина или фенилаланина.
В клетках слизистой оболочки желудка пепсин содержится в виде своего не-
активного зимогена, называемого пепсиногеном. Пепсиноген также может быть
получен в виде белковых кристаллов, не обладающих гидролитическим или ство-
раживающим действием. В результате воздействия на пепсиноген свободного
пепсина и соляной кислоты он превращается в активный пепсин.
Реннин (3.4.23.4). Известно, что в сычуге (4-м отделе желудка) теленка со-
держится так называемый сычужный фермент, вызывающий створаживание мо-
лока. Именно благодаря свертывающему действию этого фермента сычуг при-
меняется в качестве створаживающего средства при изготовлении сыров. Сычуж-
ный фермент иначе называют еще химозином или лабферментом, Он превра-
щает имеющийся в молоке белок казеиноген в сгусток казеината кальция.
Очищенный сычужный фермент чрезвычайно энергично свертывает молоко:
при pH 6,2 и температуре 37° С одна часть фермента вызывает свертывание
4 550 000 частей молока.
Сычужный фермент получен в виде белковых кристаллов. Химозин присут-
ствует в сычуге в виде зимогена, из которого под действием слабой кислоты об-
разуется активный фермент.
Трипсин (3.4.21.4) представляет собой протеиназу, содержащуюся в числе
других ферментов в соке, выделяемом поджелудочной железой. Так же, как и
пепсиц, трипсин может быть получен в виде белковых кристаллов. Его молеку-
лярная масса равна 24 000. Изоэлектрическая зона находится около pH 10.
Оптимальная зона кислотности для трипсина соответствует pH 8—9. Степень
139
гидролиза белков под действием кристаллического трипсина приблизительно
соответствует действию кристаллического пепсина. Однако неочищенный трип-
син обладает гораздо большей гидролитической активностью в отношении белков.
Ранее указывалось, что трипсин гидролизует не только белки, но и пептиды.
Кристаллический трипсин специфически катализирует гидролиз только таких
пептидных связей, в которых участвует карбоксильная группа лизина или ар-
гинина.
В 1899 г. Шеповальников, работавший в лаборатории академика И. П. Пав-
лова, установил, что в пищеварительном соке, выделяемом поджелудочной желе-
зой, трипсин содержится в неактивном состоянии в виде зимогена. Этот зимоген
был назван трипсиногеном. Превращение трипсиногена в трипсин совершается
под влиянием ничтожных количеств трипсина, который, в свою очередь, обра-
зуется из трипсиногена под действием фермента энтерокиназы (3.4.21.9).
Молекула трипсина активирует молекулу трипсиногена путем гидролиза
этого последнего по определенной пептидной связи. В процессе активации из
одной молекулы трипсиногена освобождается одна молекула гексапептида.
В пищеварительном соке, выделяемом поджелудочной железой, содержится
зимоген, называемый химотрипсиногеном. Под действием следов трипсина он
превращается в весьма активную протеиназу — химотрипсин (3.4.21.1). Химо-
трипсиноген не активируется энтерокиназой и химотрипсином. Таким образом,
протеиназы, содержащиеся в соке, выделяемом поджелудочной железой, оста-
ются неактивными до тех пор, пока они не попадают в тонкий кишечник и не всту-
пают в контакт с энтерокиназой. Она активирует трипсиноген с образованием
трипсина; этот последний, в свою очередь, активирует трипсиноген и химотрипси-
ноген. Активирование зимогена и превращение его в активную форму фермента
осуществляется чрезвычайно малыми количествами активатора. Так, например,
активирование кристаллического химотрипсиногена происходит уже в присут-
ствии 0,001 мг трипсина.
В растениях злаков, семенах бобовых, в клубнях картофеля содержатся
белки, ингибирующие протеиназы, в том числе трипсин и химотрипсин. Эти ин-
гибиторы протеиназ имеют сравнительно небольшую молекулярную массу (в пре-
делах от 4000 до 80 000, но в основном до 40 000). Ингибиторы трипсина и химо-
трипсина вызывают у животных задержку роста. Ингибитор из семян сои получен
в кристаллическом виде и представляет собой белок, принадлежащий к группе
глобулинов. Добавление его к пище молодых мышей вызывает сильную задержку
роста. Однако при нагревании этот ингибитор разрушается. Ингибиторы протеи-
наз, возможно, играют важную роль в качестве защиты растений от различных
вредителей —насекомых, грибов и бактерий.
Трипсин и химотрипсин катализируют не только расщепление пептидных,
но также сложноэфирных и амидных связей. Так, трипсин чрезвычайно энергично
расщепляет метиловый (или этиловый ) эфир бензоил-Ь-аргинина с образова-
нием соответствующего спирта и бензоил-Ь-аргинина:
сложноэфирная
связь,
H2N—C=NH расщепляемая H2N—C=NH
| трипсином |
NH / NH
(CH2)3 / (CH2)3
CeH6—CO—NH—CH—CO-O—CH3 —> CeH5—CO-NH-CH—COOH + HOCH3
Метиловый эфир Бензоил-L-аргинин Метиловый
бензоил-Ь-аргинина спирт
Химотрипсин и другие протеиназы катализируют также перенос остатков
аминокислот от одного соединения к другому (см. с. 125). Следовательно, один
140
Рис. 50. Кристаллический папаин (микрофотография)
и тот же фермент может обладать несколькими каталитическими функциями.
Протеиназы, содержащиеся в млечном соке и в семенах растении, а также
в дрожжах, составляют особую группу ферментов, типичным представителем ко-
торой является папаин (3.4.22.12). Его получают в виде ёухого порошка из млеч-
ного сока плодов дынного дерева (Carica papaya). Папаин получен в кристалличе-
ском состоянии (рис. 50). Молекулярная масса папаина равна 20 700. Оптималь-
ная зона действия этого фермента находится при слаббкислой, нейтральной или
слабощелочной реакции (в зависимости от природы гидролизуемого белка). На-
пример, при действии папаина на денатурированный нагреванием яичный аль-
бумин оптимум находится при pH 7,5, а при действии на желатину — при pH 5,0.
Эти различия зависят от свойств применяемого белкового субстрата.- Поэтому
для того чтобы получить наиболее правильное представление о свойствах и усло-
виях действия данной растительной протеиназы, необходимо при ее изучении
применять в качестве субстрата белок, свойственный именно данному растению.
Молекула папаина состоит из 212 аминокислотных остатков. Первичная
структура молекулы папаина полностью выяснена и представлена на рис. 51.
Молекула папаина содержит три дисульфидных мостика и одну сульфгид-
рильную группу, находящуюся в положении 25 й входящую в активный центр
фермента. Этот последний включает также остаток гистидина.
Наиболее характерной особенностью папаина, так же как и ряда других
протеолитических ферментов растительного происхождения, является то, \что
они активируются синильной кислотой и сульфгидрильными соединениями,
содержащими группу SH. Среди этих соединений необходимо прежде всего отме-
тить цистеин и восстановленный глютатион. Исходя из факта активирования
папаина восстановителями, полагают, что в папаине имеется'равновесная система,
состоящая из окисленного и восстановленного фермента?
Ч-2Н+
Па—S—S—Па <=* Па—SH + HS—Па
—2Н+
Гидролитически активной формой папаина является именно восстановленная
форма. В соответствии с этим окисление папаина и подобных ему ферментов при-
водит к снижению или полному исчезновению гидролитической активности.
В плодах ананаса содержится протеиназа, названная бромелаином. Бромелаин акти-
вируется сульфгидрильными соединениями и цианидом; оптимум его действия находится
при pH 6,0—7,0. Протеиназы типа папаина, активируемые восстановителями, найдены в млеч-
ном соке Asclepias и фигового дерева (Ficus carica). Фермент Asclepias, асклепаин, получен
в кристаллическом виде и имеет оптимум pH при 7—7,5. Фермент из млечного сока фигового
дерева и других растений, принадлежащих к роду Ficus, получил название фицина; получен
в кристаллическом виде, оптимум действия находится при pH 7,0.
141
Рис. 51. Первичная структура молекулы папаина
Наряду с ферментами типа папаина в ряде растений найдены протеиназы, не активируе-
мые цианидами и сульфгидрильными соединениями. К их числу принадлежат соланаин, со-
держащийся в плодах паслена (оптимум pH 8,5),арахаин из семян арахиса (оптимум pH
6,5—7,5), а также арвенсин из семян гороха (оптимум pH 8,0).
Выше неоднократно указывалось на то, какое большое влияние на действие
фермента оказывает молекулярная структура субстрата —его атакуемость
ферментом.
Различная атакуемость разных белков одной и той же протеиназой установ-
лена с полной определенностью. Так, например, показано, что белки различных
сортов пшеницы, резко различающиеся по физическим свойствам клейковины,
а следовательно, и по хлебопекарным качествам, расщепляются папаином с
разной скоростью; точно так же различна скорость расщепления глобулинов, со-
держащихся в семенах разных видов бобовых растений.
Каковы же основные факторы, определяющие атакуемость белка протеина-
зой? Скорость расщепления белка протеолитическим ферментом зависит от на-
личия в белке определенных химических группировок, например сульфгидриль-
ных, аминных и оксигрупп. Если эти группы в белковой молекуле каким-либо
образом ликвидировать, то изменяется атакуемость белка ферментом. Например,
если восстановить дисульфидные группы белка, то скорость его расщепления
протеиназами возрастает; если блокировать оксигруппы путем бензоилирования
или ацетилирования, то в результате атакуемость белка понижается. Весьма
интересным примером повышения расщепляемости белка в организме вследствие
его восстановления является переваривание белка шерсти (кератина) личинкой
платяной моли. Кератин шерсти не переваривается протеиназами животных.
Однако в пищеварительном тракте личинки платяной моли происходит восста-
новление дисульфидных групп кератина в сульфгидрильные группы, что делает
возможным его расщепление протеиназой, содержащейся в пищеварительном
тракте личинки.
Таким образом, несомненно, что атакуемость белка протеиназами зависит
от наличия в его молекуле определенных химических групп, от его первичной,
вторичной и третичной структуры.
Амидазы (3.5). К этой группе гидролитических ферментов принадлежат
уреаза, аспарагиназа, глютаминаза и аргиназа.
Уреаза (3.5.1.5) может быть получена в кристаллическом виде (см. рис. 28,
с. 100). Она содержится в растениях, плесневых грибах и некоторых бактериях.
Особенно большие количества уреазы содержатся в семенах сои и канавалии,
из которых ее обычно получают в кристаллическом виде. Весьма активную уреазу
содержат также бактерии, вызывающие разложение мочевины (уробактерии),
которое происходит в больших масштабах при разложении навоза. Уреаза раз-
лагает мочевину на аммиак и углекислый газ:
CO(NH2)2 + Н2О = СО2 4- 2NH3
Чрезвычайная специфичность действия уреазы позволяет применять ее для ко-
личественного определения мочевины. Животные, у которых в качестве продукта
азотистого обмена образуется мочевина, не содержат уреазы.
Аспарагиназа (3.5.1.1) и глютаминаза (3.5.1.2) — ферменты, катализи-
рующие гидролиз аспарагина и глютамина. Аспарагин разлагается аспарагина-
зой на аспарагиновую кислоту и аммиак:
H2NCO-CH2-CHNH2-COOH н- НОН -+ NH3 4- НООС-СН2—CHNH2-COOH
Глютамин под действием глютаминазы гидролизуется с образованием глют-
аминовой кислоты и аммиака: i
H2NCO-CH2-CH2—CHNH2—СООН 4- НОН —NH3 4- НООС-СН2—CH2-CHNH2—СООН
143
Аспарагиназа и Глютаминаза найдены в тканях животных, в плесневых гри-
бах, в дрожжах, в бактериях и высших растениях. Оптимальная зона для дейст-
вия аспарагиназы и глютаминазы лежит около pH 8,0.
Аспарагиназа и глютаминаза играют важную роль в азотистом обмене рас-
тений, поскольку они катализируют превращения амидов дикарбоновых амино-
кислот, накапливающихся в больших количествах в растениях и являющихся
важными промежуточными продуктами обмена веществ.
Аргиназа (3.5.3.1) —фермент, катализирующий гидролитическое расщеп-
ление L-аргинина на орнитин и мочевину (см. с. 102). D-аргинин аргиназа не
расщепляет. Аргиназа принадлежит к группе гидролаз, расщепляющих С—N-
связи в линейных амидинах.
Оптимальная зона для действия аргиназы находится в сильнощелочной сре-
де при pH 10. Так как аргиназа активируется солями марганца, предполагают,
что она представляет собой белок, содержащий марганец. Аргиназа играет очень
важную роль при образовании мочевины в организме.
Лиазы (4)
К классу лиаз относятся ферменты, отщепляющие от субстратов негидро-
литическим путем определенную группу с образованием двойной связи (или при-
соединяющие группу к двойной связи). Некоторые из этих ферментов катализи-
руют отщепление воды, другие—отщепление углекислого газа или аммиака;
фермент альдолаза катализирует расщепление фруктозодифосфата на две моле-
кулы фосфотриоз.
Фермент фумарат-гидратаза (4.2.1.2), ранее известный под названием фу-
мараза, катализирует отщепление воды от яблочной кислоты, сопровождающееся
образованием фумаровой кислоты:
ноос-снон-сн2-соон н2о + ноос-сн=сн-соон
Яблочная кислота Фумаровая кислота
Из приведенного уравнения видно, что эта реакция обратима.
Фосфопиру ват-гидратаза (4.2.1.11), или енолаза, катализирует реакцию,
играющую весьма важную роль в процессе спиртового брожения —превраще-
ние 2-фосфоглицериновой кислоты в фосфоенолпировиноградную кислоту:
СН2ОН СН2
I II
CHOPO3H2^t н2о + СОРО3Н2
соон соон
2- Фосфоглицериновая
кислота
Фосфоенолпировиноградная
кислота
На отщеплении и присоединении воды основано также действие фермента
цитрат(изоципграпг) —гидро-лиазы (4.2.1.3), катализирующего взаимное об-
ратимое превращение лимонной, изолимонной и ^uc-аконитовой кислот. Это
превращение идет следующим образом:
соон СООН СООН
1 сн2 1 1 сн2 сн2
но—с—соон 1 -н2о | +н2о | £ С—СООН i Н-С-СООН -ГН2и || ~Н2О |
сн2 СН н—с—он
соон Лимонная кислота 1 1 соон соон Дкс-аконитовая кислота Иаолимонная кислота
144:
Цитрат (изоцитрат) —гидро-лиаза найдена у многих высших растений и
в животных организмах. Она играет существенную роль в превращениях
органических кислот в растении.
В процессе фотосинтеза важнейшую роль играет фермент рибулозодифосфат-
карбоксилаза (4.1.1.39), катализирующий реакцию
CH2opq2-
с=о
। + НСО (или
(НСОН)2
СН2ОРО|~
СОО-
Mg2+ I
СО2)-----> 2 НСОН ч- Н+
I 2—
СН2ОРО3
Молекулярная масса этого фермента, выделенного из листьев шпината, равна
550 000. Молекула рибулозодифосфат-карбоксилазы состоит из 16 субъединиц.
Восемь больших субъединиц, образующих активный центр, синтезируются в
хлоропласте, а восемь малых субъединиц — в цитоплазме и, по-видимому,
транспортируются через мембрану хлоропласта и там соединяются с больши-
ми субъединицами. Концентрация рибулозодифосфат-карбоксилазы в листе
очень высока—она составляет около 16% от общего содержания белка в
листьях. Рибулозодифосфат-карбоксилаза может вступать в реакцию с молеку-
лярным кислородом, который «конкурирует» за фермент с СО2. При этой окси-
геназной реакции рибулозо-1,5-дифосфат расщепляется на фосфогликолат и
3-фосфоглицериновую кислоту. Это имеет большое значение при регуляции
фотосинтеза (см. с. 281) и фотодыхании.
Как мы уже указывали, имеются лиазы, катализирующие отщепление угле-
кислого газа от ряда соединений. Таким ферментом является, например, кар-
бонат — гидро-лиаза, или угольная ангидраза (4.2.1.1), расщепляющая угольную
кислоту на углекислый газ и воду:
н2СО3 со2 + н2О
Угольная ангидраза содержит цинк.
Отщепление углекислого газа от пировиноградной кислоты осуществляется
под действием пируватдекарбоксилазы (4.1.1.1)—фермента, содержащегося в
микроорганизмах и растениях. Пируватдекарбоксилаза расщепляет пировино-
градную кислоту на уксусный альдегид иСО2. Мы уже отмечали, что активная
группа пируватдекарбоксилазы представляет собой витамин Bf (тиамин),
соединенный с двумя остатками фосфорной кислоты (тиаминпирофосфат).
Декарбоксилироваться (т. е. разлагаться с выделением СО2) может не толь-
ко пировиноградная кислота, но и более сложные кетокислоты, как, например,
щавелевоуксусная кислота, которая под действием оксалоацетатдекарбоксилазы
(4.1.1.3) образует пировиноградную кислоту и СО2:
Н-ООС :-СН2-СО-СООН сн3-со--соон + со2
Щавелевоуксусная кислота Пировиноградная
кислота
Ферментативному декарбоксилированию могут также подвергаться амино-
кислоты. Реакция катализируется декарбоксилазами аминокислот, причем
наряду с СО2 образуется соответствующий амин или аминокислота. Так, напри-
мер, при 'декарбоксилировании лизина под действием лизиндекарбоксилазы
(4.1.1.18) образуется пентаметилендиамин,. чаще называемый кадаверином:
145
nh2
(CH2)4
I
chnh2
I
COOH
nh2
-> CO2+ (CH2)4
I
ch2nh2
Лизин
Кадаверин
Точно так же при декарбоксилировании орнитина образуется тетраметилен-
диамин, иначе называемый путресцином; тирозин дает соответствующий амин —
тирамин, из гистидина образуется гистамин, который обладает сильным физио-
логическим действием.
NH2
I
(СН2)3
I
chnh2
I
соон
Орнитин
nh2
со2 + |
(СН2)з
I
ch2nh2
Путресцин
СН2—CHNH2—соон
он
Тирозин
со2 +
сн2—ch2nh2
I
с
нс^'сн
I II
НС сн
Тирамин
hc=c-ch2-chnh2-cooh hc=c-ch2-ch2nh2
I * I I + CO2
HN N HN N
\//
CH CH
Гистидин Гистамин
Декарбоксилазы аминокислот найдены в растениях, животных и микро-
организмах. Они содержатся в особенно большом количестве в бактериях, вы-
зывающих гниение белковых веществ. Образующиеся при этом кадаверин, пут-
ресцин, тирамин и другие амины являются физиологически весьма активными
веществами. Активная группа декарбоксилаз аминокислот представляет собой
пиридоксальфосфат.
К группе лиаз принадлежит и аспартат —аммиак-лиаза, или аспартаза
(4.3.1.1), найденная у некоторых микробов.
Она катализирует отщепление и присоединение аммиака:
НООС—СН=СН—СООН 4- NH3 НООС—CHNH2—СН2—СООН
Фумаровая кислота Аспарагиновая кислота
Наконец, к этой же группе ферментов должна быть отнесена альдолаза
(4.1.2.13), играющая важную роль в процессах фотосинтеза, дыхания и спир-
тового брожения. Она катализирует распад фруктозодифосфата на фосфодиокси-
ацетон и фосфоглицериновый альдегид и обратную реакцию синтеза фруктозо-
146
Фруктофуранозо-1,6- Фосфоди-
-дифосфат оксиацетон
НОН
сно
3-фосфогли-
цериновый
альдегид
дифосфата. Альдолаза из листьев шпината имеет молекулярную массу 120 000.
У некоторых бактерий, плесневых грибов и в высших растениях (например,
в проростках тыквы и клещевины) найден фермент изоцитр ат-лиаза (4.1.3.1).
Он катализирует расщепление изолимонной кислоты на янтарную и глиоксилевую
кислоты: ,
СООН ' СОСН
I I О
сн-снон—соон СН2 II
| | + нс-соон
сн2 сн2
I I
соон соон
Изолимонная кислота Янтарная кислота Глиоксилевая кислота
Изоцитрат-лиаза играет важную роль в процессе превращения жиров в угле-
воды, происходящем при прорастании семян масличных культур (см. с. 265).
Изомеразы (5)
Ферменты этого класса катализируют изомеризацию различных органиче-
ских соединений. В процессе брожения участвует фермент триозофосфат-изо-
мераза (5.3.1.1), катализирующий превращение промежуточных продуктов бро-
жения 3-фосфоглицеринового альдегида и фосфодиоксиацетона:
изомераза
НОН ZT’" :
СО
сно
3-ф о еф о гли-
цериновый
- альдегид
СН2ОН
Фосфодиокси-
ацетон
В образовании рибозы —пентозы, входящей в состав столь важных соеди-
нений, какими являются рибонуклеиновые кислоты, принимает участие фер-
мент рибозофосфат-изомераза (5.3.1.6), катализирующий взаимное превращение
кето- и альдоформ рибо-5-фосфата:
Рибо-альдозо-5-фосфат
(рибозо -5-ф осф ат)
Рибо-кетозо-5-фосфат
(рибулозо-5-фосфат)
147
Этот фермент обнаружен в растениях, дрожжах и у некоторых бактерии.
Образующаяся таким образом рибулоза под влиянием соответствующей изо-
меразы может превращаться затем в арабинозу. i
Фермент глюкозофосфат-изомераза, или оксоизомераза (5.3.1.9), катализи-
рует обратимое взаимное превращение глюкопиранозо-6-фосфата и фрукто-
фуранозо-6-фосфата:
СН2о(р)
. JjJ--О\Н ГлюкозофЬсфатг- (^ОС HjСН2ОН
|/Yj XI изомераза _ |
\он нд — Кн ноу
ноХ—г о н н N—|< он
н он он н
Глюкопиранозо- Фруктофуранозо-
-6-фосфат -6-фосфат
Таким образом, глюкозофосфат-изомераза катализирует взаимное превра-
щение фосфорных эфиров глюкозы и фруктозы. В высших растениях взаимные
превращения глюкозы и фруктозы происходят с чрезвычайной легкостью под
действием глюкозофосфат-изомеразы.
Лигазы (синтетазы) (6)
Как указывалось ранее, к этому классу ртносятся ферменты, катализирую-
щие соединение двух молекул, сопровождающееся расщеплением пирофосфатной
связи в АТР или в другом нуклеозидтрифосфате. К лигазам относится, например,
г/цотаминсинтетаза (6.3.1.2), катализирующая реакцию синтеза глютамина из
глютаминовой кислоты и аммиака:
АТР -р глютаминовая кислота 4- NH3 = ADP + Н3РО4 + глютамин.
Аналогичную реакцию синтеза аспарагина катализирует фермент аспарагин-
синтетаза (6.3.1.1).
К группе лигаз относится также фермент глютатионсинтетаза (6.3.2.3),
катализирующий при участии АТР синтез восстановленного глютатиона из у-
глютамилцистеина и глицина:
АТР + 7-глютамилцистеин + глицин = ADP + Н3РО4 + восстановленный глютатион.
К числу лигаз принадлежат также ферменты, катализирующие присоеди-
нение остатков различных органических кислот (уксусной, янтарной и др.) к
коферменту А (коэнзиму А) (см. с. 78). Например, под действием фермента
ацетилкоэнзим А —синтетазы (6.2.1.1) образуется ацетилкоэнзим А:
АТР 4- СН3СО" 4- коэнзим А = АМР 4- пирофосфат 4- ацетилкоэнзим А.
Аналогичным образом под действием соответствующих синтетаз происходит при-
соединение остатков янтарной кислоты или других органических кислот к коэн-
зиму А. Образующиеся таким образом соединения коэнзима А с различными
остатками органических кислот (ацилами) являются исключительно важными
источниками этих ацилов, используемых для разнообразных синтезов, проис-
ходящих в живой клетке.
Важную роль в обмене веществ играют лигазы — карбоксилазы. Эти фер-
менты при участии АТР катализируют присоединение углекислого газа к раз-
личным органическим кислотам, т. е. реакцию удлинения углеродной цепочки.
Примером реакции, катализируемой карбоксилазой, может служить реакция
148
синтеза щавелевоуксусной кислоты из пировиноградной кислоты под действием
фермента пируваткарбоксилазы (6.4.1.1):
Н2О 4- АТР + пировиноградная кислота 4- СО2 = ADP 4- Н3РО4 + щавелевоуксусная кислота.
Карбоксилазы, катализирующие присоединение СО2, содержат в качестве
простетической группы биотин.
Необходимо сказать еще о группе ферментов, катализирующих присоеди-
нение остатков аминокислот к транспортной рибонуклеиновой кислоте. Эти лига-
зы играют важную роль в процессе биосинтеза белка (см. с. 365). Примером мо-
жет служить синтетаза, под действием которой образуется комплекс аланин —
транспортная РНК (аланил-тРНК—синтетаза, 6.1.1.7):
АТР 4- аланин 4- тРНК = АМР 4- пирофосфат 4~ аланил — тРНК*
ЛИТЕРАТУРА
Аллостерические ферменты.— Итоги науки. Серия «Биологическая химия»/Под ред.
В. Л. Кретовича. М., 1975, т. 8.
Бернхард С. Структура и функция ферментов. М., 1971.
Брокерхоф X. и Дженсен Р. Липолитические ферменты. М., 1978.
Вилкинсон Г. Д. ИзоэнзЬмы. М., 1968.
Волькенштейн М. В. Физика ферментов. М., 1967.
Диксон М. и Уэбб Э. Ферменты. М., 1966.
Корниш-Бауден А. Основы ферментативной кинетики. М., 1979.
Кочетов Г. А. Тиаминовые ферменты. М., 1978.
Кретович В. Л. Введение в энзимологию. М., 1974.
Кулаев И. С. Биохимия высокомолекулярных полифосфатов. М., 1975.
Курганов Б. И. Аллостерические ферменты. М., 1978.
Мосолов В. В. Протеолитические ферменты. М., 1971.
Номенклатура ферментов /Под ред. А. Е. Браунштейна. — Издание ВИНИТИ. М.,
1979.
Ферментные препараты в пищевой промышленности / Под ред. В. Л. Кретовича,
В. Л. Яровенко. М., 1976.
Ферменты / Под ред. А. Е. Браунштейна. М., 1964.
Advances in Enzymology and Related Subjects of Biochemistry. Vol. 1—50 , Interscien-
ce Publ. Inc., New York, 1941—1979.
Ferdinand W. The Enzyme Molecule. John Wiley and Sons, N. Y., 1976.
Hutchinson D. W. Nucleotides and Coenzymes. Methuen a. Co, London, 1964.
«Iron-Sulfur Proteins». Lovenberg W. Editor. Academic Press, N. Y., 1973.
Mayer A. M. a. Harel E. Polyphenol Oxidases in Plants. «Phytochemistry», 18, 93, 1979.
Richardson M. The Proteinase Inhibitors of Plants and Micro-organisms. «Phytochemistry»,
16, 159, 1977.
Ryan C. A. Proteolytic Enzymes and Their Inhibitors in Plant's. Annual Rev. Plant
Physiol.», 24, 173, 1973.
Shannon L. M. Plant Isoenzymes. «Annual Rev. Plant Physiol.», 19, 187, 1968.
Глава V
УГЛЕВОДЫ И ИХ ВЗАИМОПРЕВРАЩЕНИЯ
СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА УГЛЕВОДОВ
Значение углеводов для растительных и животных организмов исключитель-
но велико. Углеводы —основной питательный и главный опорный материал
растительных клеток и тканей. Они составляют до 85—90% всей массы расти-
тельного организма.
В состав углеводов входят углерод, водород и кислород. Некоторые угле-
воды, например имеющийся в грибах глюкозамин, содержат также и азот. У
большинства углеводов водород и кислород содержатся в том же соотношении,
что и в воде (нацдимер, глюкоза С6Н12О6 или сахароза С12Н220ц).
Однако некоторые из них (например, сахар рамноза) имеют иное соотноше-
ние водорода и кислорода —С6Н12О5.
Все углеводы разделяют на две группы —монозы, или моносахариды, и
полиозы, или полисахариды. Несколько молекул моносахаридов, соединяясь
между собой с выделением воды, образуют молекулу полисахарида.
Соединяясь между собой с выделением одной молекулы воды, две молекулы
моноз образуют молекулу дисахарида. Типичными представителями группы
дисахаридов являются сахароза (тростниковый сахар), мальтоза (солодовый са-
хар) и целлобиоза.
Три молекулы моноз, соединяясь с выделением двух молекул воды, образу-
ют молекулу трисахарида. К трисахаридам относится рафиноза. Углеводы, мо-
лекула которых состоит из соединенных остатков четырех моноз, называются
тетрасахаридами (стахиоза и др.).
Ди-, три- и тетрасахариды составляют группу полисахаридов (полиоз)
первого порядка. Все представители этой группы легко растворимы в воде и в
чистом виде являются кристаллическими веществами (олигосахариды). Более
сложные углеводы, содержащие в молекуле значительно большее количество
остатков простых сахаров, называются полисахаридами (полиозами) второго
^порядка. Они представляют собой сложные вещества с очень большой молеку-
лярной массой. В воде они либо не растворяются’совсем, либо дают вязкие, кол-
лоидные растворы. К числу полисахаридов второго порядка принадлежат слизи,
крахмал, гликоген, клетчатка, гемицеллюлозы, пектиновые вещества и др.
150
Схему разделения углеводов на отдельные группы можно представить сле-
дующим образом: Углеводы
моносахариды 1 полисахариды (полиозы) ! 1 полисахариды 1-го по- полисахариды 2-го порядка: рядка (олигосахари- крахмал, гликоген, инулин, ды): ди сахариды, клетчатка, слизи, гемицел- трисахариды, тетраса- люлозы, пектиновые вещест- хариды ва, агар-агар и др.
Необходимо отметить, что в изучении строения и ферментативных превраще-
ний углеводов, особенно моносахаридов, важную роль сыграли исследования
великого немецкого химика Эмиля Фишера.
Моносахариды
Общие свойства моносахаридов. Моносахариды можно рассматривать как
производные многоатомных спиртов. Одним из простейших многоатомных спир-
тов является глицерин. При окислении (дегидрировании) глицерина можно полу-
чить два простейших моносахарида — глицериновый альдегид и диоксиацетон,
играющие важную роль в обмене веществ живой клетки:
сн2—ОН
I
сн-он
—2Н+
I }
СН-ОН |
I I
СН2-ОН J
Глицериновый
альдегид
сн2-он
—2Н+
СН2-ОНч
\=О
СН2-ОН-
Глицерин
Глицериновый альдегид и диоксиаце-
тон, содержащие по три углеродных ато-
ма, принадлежат к подгруппе моносахари-
дов триоз. Моносахариды с четырьмя угле-
родными атомами в молекуле носят назва-
ние тетроз, с пятью — пентоз, с шестью—
— гексоз и семью — гептоз. Наиболее
важными и распространенными в природе
являются пентозы и гексозы.
На примере глицеринового альдегида
и диоксиацетона можно видеть, что моно-
сахариды, являясь производными много-
атомных спиртов, содержат в своей моле-
куле наряду со спиртовыми группами —ОН
альдегидную— или кетонную =С=О
Эмиль Фишер
(1852—1919)
Диоксиацетон
151
группировку. В зависимости от того, какую из этих группировок содержит мо-
лекула моносахарида, его называют альдозой или кетозой. Таким образом, гли-
цериновый альдегид является альдозой, точнее альдотриозой, а диоксиаце-
тон — кетотриозой.
Подобно тому как можно получить глицериновый альдегид или диоксиацетон
при окислении трехатомного спирта глицерина, можно получить любой иной
моносахарид при окислении соответствующего многоатомного спирта. Например,
при окислении шестиатомного спирта сорбита, содержащегося во многих плодах,
образуется глюкоза или фруктоза:
СН2ОН
I — 2Н+
н—с-он---->
I
НО—С—Н
I
н—с—он =
I
н—с—он
СН2ОН
—2Н+
Сорбит
н-с=о
I
н-с—он
I
НО—С—Н I
н—с—он }
I
н—с—он
I
СН2ОН I
СН20Н1
I
с=о
I
НО—С—Н I
I
н—с—он
I
н—с—он
I
СН2ОН I
J
Г люкоза
Фруктоза
Таким образом, при окислении первичной спиртовой группы —СН2ОН образует-
ся альдоза, а при окислении вторичной спиртовой группы —СНОН — кетоза.
Необходимо подчеркнуть, что эти превращения в зависимости от условий
могут идти в обратном направлении, когда из моносахарида образуется соответ-
ствующий многоатомный спирт.
Глюкоза, сорбит и фруктоза содержат асимметрические атомы углерода,
у которых все четыре валентности замещены различными атомными группами.
Это значит, что могут существовать различные стереоизомеры каждого данного
соединения, различающиеся физическими и химическими свойствами.
Рассмотрим прежде всего самый простой случай стереоизомерии моносаха-
ридов — глицериновый альдегид. Он имеет лишь один асимметрический атом
углерода. Это соединение существует в трех формах, а именно — в виде правовра-
щающей и левовращающей форм, различающихся знаком удельного вращения,
а также в виде смеси, состоящей из 50% правовращающего и 50% левовращаю-
щего изомера. Такая смесь лишена оптической активности и носит название
рацемического соединения или рацемата. Рацемат можно разделить на состав-
ляющие его оптически активные стереоизомеры. Последние по своему строению
относятся друг к другу, как предмет и его зеркальное изображение, и имеют
структуру, которая при проекции на плоскость имеет следующий вид:
152
н-с-он
I
СН2ОН
Правовращающий
D-глицериновый альдегид
но-с-н
I
СН2ОН
Левовращающий
L-глицериновый альдегид
Этот пример выбран также потому, что глицериновый альдегид играет важ-
ную роль при установлении конфигурации того или иного моносахарида.
Раньше правое или левое удельное вращение органических соединений обо-
значали буквами d и /. В настоящее время эти обозначения имеют другой смысл.
Все моносахариды, у которых замещающие группы при углеродном атоме (бли-
жайшем к первичной спиртовой группе —СН2ОН) имеют то же расположение
в пространстве, как и D-глицериновый альдегид, причисляются к D-ряду. К L-
ряду относят моносахариды, имеющие у того же углеродного атома расположе-
ние групп, подобное L-глицериновому альдегиду.
Оптическое вращение обозначают знаками (+) и (—). Таким образом, сое-
динение, принадлежащее к L-ряду и вместе с тем вращающее плоскость поляри-
зованного света вправо, обозначается как L(+). Примером подобного генетиче-
ского обозначения оптически активных соединений могут служить стереоизомеры
молочной кислоты:
СООН
I
Н—С—ОН
I
СН3
d(—)-Молочная кислота
СООН
I
но—с—н
I
сн3
I (+)-Молочная кислота
Для обозначения конфигурации сахаров чаще всего применяют заглавные
буквы D и L, но величиной со строчную (см. с. 25). Ниже приведены структур-
ные формулы наиболее распространенных в растениях альдогексоз: D-глюкозы,
D-галактозы и D-маннозы (цифрами в формулах обозначены номера углеродных
атомов, звездочками — асимметрические атомы):
Н—С*—он
I
нсг-с*-н
I
н-с*-он
I
н—с*—он
I
СН2ОН
О (4-)-Глюкоза
(|)с/°
Н—(2)С*—ОН
I
НО-(3)С*—н
НО—(4)С*— Н
I
Н—(5)С*—ОН
I
(6)СН2ОН
D (+) -Галактоза
с<°
|\н
но—с*—н
I
но—с*—н
I
н—с*—он
I
н—с*—он
I
СН2ОН
D (-Н-Манноза
Сопоставление формул этих трех альдогексоз показывает, что все они принад-
лежат к D-ряду.
Широко распространенная в растениях кетогексоза, называемая фруктозой
или плодовым сахаром, также принадлежит к D-ряду, несмотря на то, что раст-
воры ее вращают плоскость поляризованного света влево. Принадлежность фрук-
тозы к D-ряду определяется ее структурной формулой:
153
(1)СН20Н
I
(2)С=0
I
0Н-(3)С*-Н
I
Н—(4^С*—ОН
' I
Н—(5)С*—ОН
I
(6)СН2ОН
D (—)-Фруктоза
В слабощелочных растворах глюкоза, манноза и фруктоза претерпевают вза-
имные превращения. Так, если к раствору глюкозы добавить Ва(ОЫ)2 или
Са(ОН)2, то через некоторое время можно обнаружить присутствие в растворе
наряду с глюкозой также маннозы и фруктозы. То же самое наблюдается при
действии слабых щелочей на растворы маннозы или фруктозы. В растении взаимо-
превращения сахаров происходят очень легко под влиянием соответствующих
ферментов.
Если наблюдать удельное вращение водных растворов моносахаридов, то
обнаруживается, что оно начинает изменяться сразу же после растворения сахара,
достигая лишь через некоторое время постоянной величины. Это явление полу-
чило название мутаротации. Было высказано предположение, что оно объясня-
ется существованием различных форм данного сахара. И, действительно, были
пдлучены, например, две формы D-глюкозы — одна с удельным вращением -|-113°
и другая, имеющая удельное вращение -t-19°. При растворении в воде первой из
них удельное вращение понижается и достигает постоянной величины -|-52,5о.
Удельное вращение водных растворов второй формы, наоборот, постепенно возрас-
тает и останавливается, наконец, на той же величине +52,5°. Первая из этих
форм была названа a-D-глюкозой и вторая P-D-глюкозой. Для объяснения явле-
ния мутаротации и для объяснения ряда других свойств моносахаридов впервые
московским профессором М. А. Колли в 1870 г. было высказано предположение
о том, что моносахариды существуют также и в виде так называемых цикличе-
ских форм, в которых число асимметрических углеродных атомов на один боль-
ше, чем в формулах, изображенных ранее.
Гипотеза, высказанная Колли, впоследствии была подтверждена исследо-
ваниями немецкого химика Б. Толленса. В настоящее время установлено, что
в растворах D-глюкоза существует в трех взаимопревращающихся формах, две
из которых циклические:
н—с*—он
I
Н—С*—ОН
I
но—с*—н
I
н—с*—он
I
н—с*-----
I ~
СН2ОН
а-D-Глюкоза
н—с*—он
I
но—с*-н
I
н—с*—он
I
н—с*—он
I
сн2он
D-Глюкоза
I
но—с*—н
I.
н—с*—он
I О
но—с*—н
I
н—с*—он
I
н—с*------
I
СН2ОН
₽-D-Глюкоза
Аналогичные взаимопревращения трех форм установлены также для других
моносахаридов, в том числе и для D-фруктозы:
154
СН2ОН он СН2ОН 1 СН2ОН 1
1 С=О 1 т_тгл с*
с ни—с —
1 но—с*—н 1 но—с*—н 1 НО—С*—Н
1 Н—С*—ОН ( 1 н—с*—он । Н—С*—ОН О
1 Н—С*-он 1 1 н—с*—он 1 Н—с*—он
1 г'и 1 СН2ОН D-Фруктоза 1 гтт
СН2 a-D-Фруктоза СН2 p-D-Фруктоза
Как видно из приведенных выше формул, при образовании циклических
форм альдозы у нее становится асимметрическим также первый углеродный атом,
а у кетозы — второй.
Превращение открытой формы моносахарида в циклическую сопровождается
образованием кислородного «мостика». У глюкозы он образуется между 1-м и 5-м
углеродными атомами, а у фруктозы — между 2-м и 6-м. Образование этого
кислородного мостика происходит за счет альдегидной (или кетонной) группы
и спиртовой группы и представляет собой внутримолекулярную реакцию обра-
зования полуацеталя, как это показано на схеме взаимодействия альдегида и
спирта:
.О /Н
R—Се + НО—СН2—Ri R—Сс-ОН
ХН ХО-СН2-Rj
Альдегид
Спирт
Полуацеталь
Приведенные ранее циклические формы моносахаридов являются, как это
видно из нижеследующих формул, производными гетероциклического соеди-
нения, называемого пираном; они получили название пираноз:
СН
Пиран
СН2 О или
I
СН
II
сн
О
нонс^ \н-сн2он
I I
ноне снон
снон
Пираноза
Таким образом, a-D-глюкоза представляет собой a-D-глюкопиранозу, а
P-D-глюкоза — P-D-глюкопиранозу. Особенно наглядно можно представить
строение циклических форм моносахаридов при помощи предложенных В. Хэу-
орзеом так называемых перспективных формул, изображенных ниже:
a-D-глюкопираноза /f-D-глюкопираноза
155
В этих формулах жирными линиями изображены связи между углеродными
атомами, попадающими при перспективном изображении молекулы на передний
план.
Как видно, а- и 0-формы глюкозы различаются положением ОН-группы,
находящейся у 1-го углеродного атома, по отношению к плоскости кольца.
Альфа- и бета-формы глюкозы могут существовать также в виде изомеров,
у которых кольцо содержит не 5, а 4 углеродных атома и, следовательно, кисло-
родный мостик связывает 1-й и 4-й углеродный атомы. Такая форма глюкозы
является производным фурана и носит название глюкофуранозы:
I
СН
ИЛИ
НС=СНк
нс=сн//°
о
нон^ сн—снон—снаон
ноне—снон
Глюкофураноза
Фуран
Перспективная формула глюкофуранозы такова:
При изображении с помощью перспективных формул P-D-фруктопираноза
и p-D-фруктофураноза имеют следующий вид:
/?-D -Фруктопираноза
Н0Н2С(6)/(
(4)Т"
но
""К3)(1)
ОН
и®
сн2он
ОН н
fl-D-Ф руктоф ураноза
В водном растворе моносахарида присутствуют одновременно все его формы.
Так, в растворе глюкозы имеется ее нециклическая (альдегидная) форма и все ее
циклические формы, т. е. а- и 0-глюкопираноза, а также а- и 0-глюкофураноза.
При этом количество нециклической формы составляет >рсего лишь около 1%.
Ниже представлены взаимопревращения различных форм глюкозы в водном
растворе. Превращения эти могут происходить через оксо-форму глюкозы.
156
н2сон
Hj----°\Н
l/н
|\он н/|
ноЧ— Кон
и он
а-Фураноза
а-Пираноза
Н—С—ОН
но—с—н
н—с—он
н—с—он
н—с—он
н
Оксо-форма
р -Пираноза
Гидратная
форма
/f-Фураноза
Представление Хэуорзса о пиранозах как о циклах, расположенных в одной
плоскости, не отражает их действительной структуры. Имея в цикле атом кисло-
рода и несколько асимметрических углеродных атомов, пиранозное кольцо мо-
жет существовать в виде восьми более стойких конформаций. Часть из них имеет
Рис. 52. Некоторые конформации пираноз:
а — конформация лодки, б — конформация кресла; «—конформационные формы а* и-(3- глюкопира-
нозы
157
форму «лодки», часть — форму «кресла». Наиболее стойкой и потому более часто
встречающейся является форма «кресла» (рис. 52).
Альфа- и бета-формы моносахаридов имеют большое значение в связи с тем,
что они образуют соответствующие производные — гликозиды, резко различаю-
щиеся по отношению к ферментам. Наиболее простые из этих производных —
а- и Р-метилглюкозиды:
Н—С—О—СН3
I
н-с—он
I
но-с—н
I
Н—С—он
I
н-с-------
I
СН2ОН
а-Метилглкжозид
Н3С—О—С—н
I
н—с—он
I О
но—с—н
I
н-с—он
I
н-с--------
I
СН2ОН
р-Метилглюкозид
В случае фруктозы гликозид образуется за счет гидроксила, находящегося
у 2-го углеродного атома.
Поэтому гидроксильные группы, расположенные у 1-го углерода глюкозы и
у 2-го углерода фруктозы, носят название гликозидных гидроксилов.
Таким образом, метилгликозиды представляют собой соединения типа про-
стых эфиров, которые могут образоваться в результате взаимодействия глико-
зидного гидроксила моносахарида со спиртом.
Гликозиды широко распространены в растениях, причем в качестве неугле-
водного компонента (агликона) в них могут содержаться самые разнообразные
соединения (см. с. 308).
По типу а- и Р-метилгликозидов построены некоторые важные дисахариды.
В этих последних вместо метильного радикала содержится остаток какого-либо
моносахарида.
Моносахариды, реагируя с кислотами, могут давать сложные эфиры. Некото-
рые из этих сложных эфиров имеют первостепенное значение в обмене веществ.
Таковы, например, некоторые фосфорнокислые эфиры глюкозы и фруктозы, иг-
рающие важную роль в превращениях крахмала и гликогена, а также в процес-
сах дыхания и спиртового брожения — глюкозо-6-фосфат, глюкозо-1-фосфат,
фруктозо-1,6-дифосфат и фруктозо-6-фосфат:
Глюкопиранозо-6- Глюкопиранозо-
-фосфат
-1-фосфат
НО. (6) (1) .ОН
0=Р—О—СН2 .0.Н2С—О— Р=0
НО'^ он
(5)[\н но/п
и XI JZ ОН
|(4)Р
он н
Ф руктоф уран озо-
-1,6-дифосфат
Фруктофуранозо-
-6-фосфат
158
Из числа тетроз — моносахаридов, содержащих в молекуле четыре угле-
родных атома, можно назвать D-эритрозу. Этот сахар — один из промежуточных
продуктов фотосинтеза (см. с. 281):
неон
неон
сн2он
он он
D-Эритроза
Среди пентоз — моносахаридов, в молекуле которых содержится пять угле-
родных атомов, наибольшую роль играют в растении ксилоза, арабиноза и рибо-
за. Приводим структурные формулы этих сахаров:
ено
неон
но^н
I
носн
СН2ОН
^-Пиранозная
форма
ено
неон
носн
неон
с:н2он
а-Пиранозная
форма
________/
а-Фуранозная форма
D-рибозы
L-Арабиноза
D-Ксилоза
Ксилоза и арабиноза встречаются в растениях в свободном виде, но содер-
жатся в них главным образом в виде высокомолекулярных полисахаридов, на-
зываемых пентозанами. Рибоза в виде фуранозной формы входит в состав рибо-
нуклеиновых кислот.
В зеленых растениях, в микроорганизмах и тканях животных найдены кето-
пентозы — D-рибулоза и L-ксилулоза:
СН2ОН
I
с=о
I
неон
I
неон
I
х сн2он
D-Рибулоза
СН2ОН
I
0=0
I
неон
I
носн
I
СН2ОН
L-Ксилулоза
D-Рибулоза играет важную роль в качестве соединения, фосфорнокислый
эфир которого связывает углекислый газ в процессе фотосинтеза (см. с. 281).
Ксилоза и рибулоза в виде фосфорнокислых эфиров играют существенную роль
в ферментативных взаимопревращениях различных моносахаридов (см. с. 189).
159
В нуклеиновых кислотах, входящих в состав клеточного ядра, содержится в
фуранозной форме производное рибозы D-2-дезоксирибоза:
D -2-д езоксирибоза
В растениях встречаются также другие дезоксисахара, являющиеся произ-
водными гексоз, например рамноза, представляющая собой 6-дезоксиманнозу,
и фукоза (6-дезоксигалактоза):
СНО
(1)|
неон
(2)|
неон
(3)|
носн
(4)1
носн
(5)|
сн3
(6) 3
а - Пиранозная
форма
L-Рамноза (L-6-дезокси- L-Фукоза (L-6-
манноза) -дезоксигалактоза)
Дезоксигексозы называют также мети л пентозами.
L-Рамноза получается при гидролизе многих растительных гликозидов, кле-
точных стенок, а также некоторых слизей. В свободном виде она содержится в
листьях сумаха (Rhus toxicodendron).
При окислении моносахаридов, в зависимости от условий, при которых
проходит окисление, могут образовываться различные продукты. Если D-глю-
козу окислять с помощью бромной воды, то альдегидная группа окисляется до
карбоксильной группы, причем образуется D-глюконовая кислота:
(1)СООН
I
Н-(2)С-ОН
I
НО—(З)С-Н
I
Н—(4)С—ОН
I
Н—(5)С—ОН
I
(6)СН2ОН
/ D-Глюконовая кислота
Образование больших количеств D-глюконовой кислоты наблюдается при
развитии некоторых видов плесневых грибов на растворах, содержащих глюкозу.
При более жестких условиях окисления окисляется с образованием карбо-
ксила не только альдегидная группа, но и первичная спиртовая группа— СН2ОН.
160
При этом из D-глюкозы образуется сахарная кислота, а из D-галактозы — сли-
зевая кислота:
СООН
Н-С-ОН
I
но-с—н
I
н-с—он
I
н—с—он
I
соон
Сахарная (глюка-
ровая) кислота
соон
Н-С-ОН
I
но-с—н
I
но-с—н
I
Н-С-ОН
I
соон
Слизевая (галак-
таровая) кислота
Окисление моносахаридов может происходить также таким образом, что окис-
ляется с образованием карбоксила только лишь первичная спиртовая группа.
Образующиеся при этом кислоты получили общее название уроновых кислот.
Из глюкозы в этом случае образуется глюкуроновая, из галактозы — галакту-
роновая и из маннозы — маннуроновая кислота.
Уроновые кислоты легко образуются в растении и играют в нем большую
роль. Они входят в состав пектиновых веществ, некоторых растительных слизей
и других сложных полисахаридов, получивших общее название полиуронидов.
Уроновые кислоты играют большую роль в качестве промежуточных про-
дуктов при образовании пентоз из гексоз. Так, например, образующаяся при
окислении глюкозы глюкуроновая кислота, подвергаясь декарбоксилированию
(выделяя СО2), может дать ксилозу. При декарбоксилировании галактуроновой
кислоты образуется арабиноза. Эти превращения могут происходить в растении
по схеме:
ft-D -Ксилопираноза
/f-D-Г люкопираноза /f-D-Глюкуроновая
кислота
Окисление моносахаридов некоторыми слабыми окислителями, например
щелочными растворами окисей металлов (меди или висмута), широко использует-
ся для количественного определения сахаров. При этом происходит фрагментация
молекулы моносахарида, а соответствующая окись металла, восстанавливаясь,
образует закись в случае меди и металлический висмут — в случае применения
соли висмута. Определяя количество образовавшейся закиси меди, можно по
специальным таблицам рассчитать количество имевшегося в растворе сахара.
Особенно широко применяется для количественного определения сахаров щелоч-
ной раствор окиси меди, называемый реактивом Фелинга. Фелингову жидкость
восстанавливают все моносахариды и те полисахариды, которые содержат сво-'
бодную карбонильную группу (свободный гликозидный гидроксил). Сахара,
которые дают реакции с указанными окисями металлов, носят название восста-
навливающих в противоположность невосстанавливающим углеводам, не со-
держащим свободных карбонильных групп.
6-596 161
Из распространенных в растительном мире производных моносахаридов нель-
зя не назвать глюкозамин, представляющий собой D-глюкопиранозу, у которой
при втором углероде гидроксильная группа замещена аминной группой —NH2:
/ОН
Н-(1)С-------
Н—(2)С—NH2
I
НО—(3)С—н
I О
Н—(4)С—ОН |
Н—(5)С-------1
I
СН.2ОН
D-Глюкозамин (2-амино-О-а-глюкопираноза)
Глюкозамин получается при гидролизе хитина — высокомолекулярного
углевода, содержащегося в большом количестве в теле ракообразных и насеко-
мых, а также в грибах. За последние годы глюкозаминсодержащие соединения
найдены также в высших растениях. Кроме глюкозамина в природе встречается
также галактозамин. Эти аминосахара встречаются почти исключительно в виде
N-ацетильных производных (в аминной группе вместо одного атома водорода со-
держится ацетильный остаток СН3СО—).
Свойства отдельных моносахаридов и некоторых их производных. Рассмот-
рим свойства отдельных моноз и некоторых их производных, встречающихся
в растениях.
D-Глюкоза (декстроза, виноградный сахар). Сбраживается дрожжами.
В водных растворах имеет удельное вращение +52,5°. Кристаллизуется из воды
в виде пластинок, имеющих состав С6Н12О6 + Н2О; из метилового спирта полу-
чаются безводные кристаллы. Глюкоза изготовляется в больших количествах
путем кислотного гидролиза картофельного или кукурузного крахмала и состав-
ляет главную массу патоки, широко применяемой в кондитерском производстве.
В свободном виде содержится в зеленых частях растений, в семенах, раз-
личных фруктах и ягодах, в меде. Входит в состав крахмала, клетчатки, геми-
целлюлоз, гликогена, декстринов, сахарозы, мальтозы, рафинозы, многих глюко-
зидов.
D-Фруктоза (левулёза, плодовый сахар). Сбраживается дрожжами. Из воды
кристаллизуется в виде иголочек, имеющих состав 2С6Н12О6 -f- Н2О,из спирта—
в виде безводных ромбических призм; удельное вращение водного равновесного
раствора —92,4°. Фруктоза гораздо слаще других сахаров. Содержится в зеле-
ных частях растений, в нектаре цветов, в плодах, в меде.
Фруктоза в виде D-фр^тофуранозы входит в состав сахарозы, а также мно-
гих высокомолекулярных полисахаридов, образующих при гидролизе фруктозу.
Эти полисахариды, получившие название полифруктозидов, содержатся в зна-
чительных количествах во многих растениях, особенно из семейства сложно-
цветных (например, в цикории, земляной груше, кок-сагызе). Наиболее известен
инулин, накапливающийся в качестве запасного углевода в клубнях земляной
груши.
D-Галактоза. Встречается в качестве составной части некоторых дисахари-
дов—лактозы (молочного сахара), мелибиозы и содержащегося в растениях три-
сахарида — рафинозы. Входит в состав многих высокомолекулярных полиса-
харидов: употребляемого в кондитерской промышленности агар-агара, различ-
ных гумми и слизей, а также гемицеллюлоз. В свободном кристаллическом виде
галактоза выделяется на плодах плюща. Удельное вращение водных растворов
162
галактозы, после окончания мутаротации и установления равновесия между
а- и ^-формами, +80,2°. Галактоза сбраживается лишь так называемыми «лак-
тозными» дрожжами.
D-Манноза сбраживается дрожжами. В растениях встречается в виде со-
ставной части различных высокомолекулярных полисахаридов — слизей и геми-
целлюлоз. Маннозу обычно получают путем кислотного гидролиза гемицеллюлоз,
образующих скорлупу каменного ореха. Удельное вращение водных растворов
после установления равновесия между а- и P-формами равно 4-14,2°.
D-Сорбоза. Сахар, содержащийся в сброженном бактериями соке рябины.
Образуется при окислении шестиатомного спирта D-сорбита некоторыми бакте-
риями. Сорбоза имеет большое значение в витаминной промышленности как
важный промежуточный продукт синтеза антицинготного витамина С (аскорби-
новой кислоты).-Если производить окисление сорбита с помощью бактерии Aceto-
bacter suboxydans при достаточном доступе воздуха, то выход сорбозы достигает
90%. Удельное вращение водных растворов сорбозы после окончания мутарота-
ции —43,4°
D-Арабиноза. Широко распространена в растениях в качестве составной
части слизей, гумми, пектиновых веществ и гемицеллюлоз. Арабинозу обычно
получают путем кислотного гидролиза вишневого клея или свекловичного жома.
Удельное вращение водных растворов после окончания мутаротации 4-104,5®.
Не сбраживается дрожжами.
D-Ксилоза (древесный сахар). Входит в состав многих растительных слизей,
гумми и гемицеллюлоз. Получается при кислотном гидролизе отрубей, соломы,
древесины, хлопковой шелухи. Для кондитерской промышленности ксилозу
получают в довольно значительных количествах путем кислотного гидролиза
кукурузных кочерыжек, дающих ее около 12%. Обычными дрожжами ксилоза
не сбраживается. Удельное вращение водных растворов после окончания мута-
ротации -|-18,£г. На растворах ксилозы, получаемых путем кислотного гидролиза
древесины, соломы или кукурузных початков, очень хорошо растут и развива-
ются дрожжеподобные организмы Torula и Monilia, дающие весьма ценный, бо-
гатый белком я витаминами корм для скота. При восстановлении ксилоза дает
многоатомный спирт ксилит, который вдвое слаще сахарозы, но не усваивается
организмом человека. Благодаря этому ксилит используют вместо сахара в пи-
тании больных диабетом и ожирением.
D-Рибоза. D-Рибоза и D-2-дезоксирибоза входят в состав нуклеиновых
кислот. Производное рибозы — спирт рибит — входит в состав некоторых вита-
минов и ферментов. Именно поэтому рибоза и дезоксирибоза представляют чрез-
вычайный интерес для биохимиков и биологов. Рибоза и фруктоза — моносаха-
риды, содержащиеся в природных соединениях в фуранозной форме.
D-Л пиоза. Представитель группы моносахаридов с разветвленной угле-
родной цепью (альдопентоза); найдена во многих растениях. Входит в состав фла-
вонового гликозида апиина, содержащегося в петрушке (Apium petroselinum).
6*
163
сно
н—с—он
С!—ОН
нощс^ СН2ОН
D -Апиоза
Гептозы. В природе найдены две гептозы — Т)-манногептулоза и D-седогептуло-
за, причем оба сахара встречаются только в виде кетоформы. D-Манногептулоза содержится
в большом количестве в плодах авокадо (Persea arnericana), |а]^°= 4-29,0°С (в воде). Дрожжами
не сбраживаются. Интересно, что D-манногептулоза усваивается организмом человека, но
при этом предварительно превращается в гексозы. При восстановлении D-манногептулозы
образуется соответствующий многоатомный спирт персеит, содержащийся в плодах, листьях
и семенах авокадо.
СН2ОН
I
со
I
носн
I
неон
I
неон
I
неон
I
СН2ОН
D-Седогептулоза
СН2ОН
I
со
I
НОСН
I
носн
I
неон
I
неон
I
сн2он
D-Манногептулоза
D-Седогептулоза найдена в больших количествах в растениях из семейства толстянко-
вых (Crassulaceae). Аморфна, не сбраживается дрожжами, [а]р° от +2 до +3°С (в воде).
При восстановлении D-седогептулозы образуется многоатомный спирт волемит, найденный
в грибах Lactarius volemus и в корнях некоторых растений. Седогептулоза в виде ее фосфорно-
кислых эфиров образуется в хлорофиллоносной ткани растений уже в первые секунды фото-
синтеза. Она играет важную роль как оддл из промежуточных продуктов фотосинтеза.
Сорбит (глюцит). Один из наиболее распространенных в растениях много-
атомных спиртов. Особенно часто D-сорбит встречается в различных фруктах
и ягодах. В ягодах рябины, из сока которых он впервые был выделен, его со-
держится до 7%. Заметные количества
СН2ОН
I
Н-С-ОН
I
но—с—н
I
н—с—он
I
Н-С-ОН
I
СН2ОН
сорбита содержат плоды слив, персиков, яблок, вишен, груш и абрикосов. В
листьях сливы его содержится до 4,5% на сухую массу. Из воды кристаллизуется
в виде тонких бесцветных палочек. При окислении, в зависимости от условий,
может образовывать глюкозу, фруктозу или сорбозу.
Маннит. Широко распространен в растениях. Часто выделяется на поверх-
ности коры некоторых деревьев (например, оливкового дерева и некоторых видов
ясеня). Маннит в большом количестве содержится в так называемой «манне». Она
164
представляет собой засохшие выделения некоторых видов ясеня, а также расту-
щего в Аравии тамарикса (Tamarix mannifera). Маннит содержится также в
водорослях, грибах (до 11% на сухое вещество), в заразихе (паразит подсолнеч-
ника), многих овощах и плодах (например, в моркови, луке, оливках и ананасах).
Удельное вращение его водных растворов равно —0,21°. При добавлении буры к
водному раствору маннита удельное вращение резко возрастает. Это свойство
СН2ОН
I
но-с-н
I
но-с-н
I
н—с-он
I
н-с-он
I
СН2ОН
маннита используется для его количественного определения. При окислении дает
маннозу и фруктозу. Особенно большие количества маннита содержатся в бурых
водорослях из семейства ламинариевых (морская капуста). Содержание маннита
в морской капусте Дальнего Востока составляет от 5,2 до 20,5% на сухое ве-
щество. Эти водоросли используются в качестве сырья для получения маннита.
Дульцит (галактит). Подобно сорбиту и манниту, дульцит содержится во
многих растениях, выделяется на поверхности коры деревьев. Так называемая
«мадагаскарская манна» в виде засохших выделений на коре некоторых де-
ревьев представляет собой почти чистый дульцит. Дульцит выделяется также на
поверхности листьев бересклета. При окислении дает галактозу*и слизевую
кислоту.
СН2ОН
I
Н— с—он
I
но—с—н
I
но-с-н
I
н-с-он
I
СН2ОН
Полисахариды
Полисахариды 1-го порядка (сложные сахара, или олигосахариды). Ди-,
три- и тетрасахариды называют также олигосахаридами, т. е. полисахаридами,
состоящими из небольшого числа остатков моноз («олигос» по-гречески — немно-
гий).
Дисахариды. Дисахариды построены из соединенных между собой
остатков двух молекул моносахаридов. При этом в дисахариде могут соединяться
две гексозы, две пентозы или же гексоза и пентоза. Дисахар иды представляют собой
гликозиды, так как соединение двух молекул моносахаридов происходит за счет
гликозидного гидроксила одного моносахарида и одной из гидроксильных групп
другого моносахарида; в результате выделяется одна молекула воды и образу-
ется молекула дисахарида. При нагревании с кислотами или под действием соот-
ветствующих ферментов происходит гидролиз дисахаридов — распад их на две
молекулы моносахаридов:
165
сахароза лактоза мелибиоза
+ Н2О + Н2О + Н2О
/ \ /\ Z \
глюкоза фрук- глю- галак- глю- галак-
тоза коза тоза коза тоза
мальтоза
+ Н2О
глю- глю-
коза коза
трегалоза
+ н20
глю- глю-
коза коза
целлобиоза
+ Н2О
глю- глю-
коза коза
Следовательно, разные дисахариды могут быть построены из одного и того
же моносахарида. Например, мальтоза, целлобиоза и трегалоза дают при гидро-
лизе только глюкозу. Различия в свойствах этих трех дисахаридов могут быть
обусловлены либо тем, что в их состав входят разные изомеры глюкозы (а- или
P-форма), либо тем, что молекулы глюкозы по-разному соединены между собой.
Это последнее обстоятельство играет очень важную роль. Многие свойства
моносахаридов, в частности способность к восстановлению фелинговой жидкости,
зависят от наличия в их молекуле гликозидного гидроксила. Поэтому если при
образовании дисахарида моносахариды соединяются за счет обоих своих глико-
зидных гидроксилов, то образовавшийся дисахарид не будет восстанавливать
фелингову жидкость. К таким дисахаридам относятся трегалоза и сахароза. Если
же моносахариды соединены в молекуле дисахарида таким образом, что глико-
зидный гидроксил одного из моносахаридов остается свободным, то такой дисаха-
рид восстанавливает фелингову жидкость. К таким дисахаридам относятся маль-
тоза, лактоза и целлобиоза.
Дисахариды типа мальтозы, имеющие один свободный гликозидный гидро-
ксил, обнаруживают в растворах мутаротацию, так как тот остаток моносаха-
рида, который сохранил свой гликозидный гидроксил, присутствует в растворе
как в виде a-формы, так и в виде P-формы. В соответствии с этим и целая молекула
дисахарида типа мальтозы существует в растворе в виде а- и Р-формы.
Сахароза (тростниковый сахар, свекловичный сахар) С^Н^Ои. Чрезвы-
чайно широко распространена в растениях (в листьях, стеблях, семенах, фрук-
тах, ягодах, корнях, клубнях). Играет огромную роль в питании человека. Очень
легко растворима в воде. Кристаллизуется в виде больших моноклинических
кристаллов. Удельное вращение водных растворов -|-66,5о. Не восстанавливает
фелинговой жидкости. Сбраживается дрожжами. Структурная формула сахарозы
имеет следующий вид:
Таким образом, молекула сахарозы представляет собой сочетание а-глюко-
пиранозы и Р-фруктофуранозы, соединенных за счет своих гликозидных гидро-
ксилов (1-а-П-глюкопиранозидо-2-|3-П-фруктофуранозид).
Сахароза не содержит свободного гликозидного гидроксила и поэтому не
обнаруживает мутаротации. При нагревании с кислотами или под действием фер-
мента сахаразы (иначе инвертазы) сахароза гидролизуется, образуя инвертный
сахар (смесь глюкозы и фруктозы). Название инвертный сахар происходит от
слова «инверсия», что значит изменение какой-либо величины на обратную. Гид-
ролиз сахарозы изменяет удельное вращение раствора с правого на левое, так как
образующаяся при гидролизе фруктоза имеет значительно большее левее враще-
ние, чем правое вращение образующейся глюкозы. Именно поэтому гидролиз са-
харозы называют иначе инверсией.
Характерная особенность сахарозы — исключительная легкость ее гидро-
лиза в кислом растворе — скорость здесь приблизительно в тысячу раз больше,
166
чем скорость гидролиза при этих же условиях таких дисахаридов, как мальтоза
или лактоза.
Главные источники получения сахарозы в пищевой промышленности — са-
харная свекла и сахарный тростник.
Мелибиоза (С12Н220ц). Входит в состав трисахарида рафинозы (см. с. 169),
в свободном виде содержится в соке некоторых растений. Сбраживается дрожжами
низового брожения. В молекуле мелибиозы соединены пиранозные формы глюко-
зы и галактозы за счет первичной спиртовой группы глюкозы и гликозидного
гидроксила галактозы.
Мелибиоза — 6-глюкозо-а-галактозид. Содержит свободный гликозидный
гидроксил, обнаруживает в водных растворах мутаротацию и восстанавливает
фелингову жидкость. После окончания мутаротации удельное вращение водного
раствора равно +129,5°.
Лактоза (молочный сахар). Содержится в молоке животных. Найдена в пыль-
цевых трубочках некоторых растений. Сбраживается лишь особыми, лактозными
дрожжами, содержащимися в кефире и кумысе. В молекуле лактозы имеется один
свободный гликозидный гидроксил в остатке глюкопиранозы:
Лактоза
Лактоза восстанавливает фелингову жидкость и в водных растворах обна-
руживает мутаротацию. Вращает плоскость поляризованного света вправо.
При гидролизе дает галактозу и глюкозу, являясь Р-галактозидоглюкозой.
На сыродельных заводах из сыворотки (отходы производства) получают значительные
количества кристаллической лактозы, используемой в пенициллиновой промышленности
для приготовления питательных сред и в фармации.
Мальтоза (солодовый сахар). Образуется при расщеплении (гидролизе)
крахмала под действием фермента амилазы (диастаза). Содержится в большом
количестве в солоде и солодовых экстрактах. Так как в молекуле мальтозы
имеется один свободный гликозидный гидроксил, она восстанавливает фелингову
жидкость и обнаруживает в водных ра^ворах мутаротацию:
(6) (Ф
WCH2OH СН2ОН
н он н он
Мальтоза
В молекуле мальтозы остаток глюкозы, потерявший свой гликозидный
гидроксил, является а-глюкозой. Поэтому мальтоза представляет собой а-глюко-
зидоглюкозу. Удельное вращение мальтозы в водных растворах +130,4°.
Сбраживается дрожжами в присутствии глюкозы. Под действием фермента маль-
тазы гидролизуется с образованием двух молекул глюкозы.
Трегалоза (грибной сахар). Содержится в грибах, в рожках спорыньи, водо-
167
рослях, в некоторых высших растениях (из рода Selaginella). В пекарских дрож-
жах содержание трегалозы достигает 18% на сухое вещество. Сбраживается боль-
шинством дрожжей. Не содержит свободного гликозидного гидроксила и поэтому
не восстанавливает фелингову жидкость.
Трегалоза
Удельное вращение водных растворов +178,3°. При гидролизе дает две мо-
лекулы глюкозы.
Гентиобиоза. Дисахарид, входящий в состав многих гликозидов, из кото-
рых наиболее важными являются амигдалин и кроцин (см. с. 309 и 254). В свя-
занном виде гентиобиоза содержится в корнях различных видов горечавки (Gen-
tiana), от которой и получила своеназвание. При гидролизе гентиобиоза образует
две молекулы D-глюкозы. В молекуле гентиобиозы остатки глюкозы связаны
за счет гликозидного гидроксила одной молекулы глюкозы и гидроксила, нахо-
дящегося у 6-го углеродного атома другой молекулы глюкозы. Гентиобиоза пред-
ставляет собой 6-глюкозо-|3-В-глюкопиранозид:
Г ентиобиоза
. Поскольку гентиобиоза содержит свободный гликозидный гидроксил, она
восстанавливает фелингову жидкость и в растворах обнаруживает мутаротацию.
•
Трегалоза й гентиобиоза, по-видимому, образуются в крахмало-паточном производстве
при кислотном гидролизе крахмала в результате вторичных реакций конденсации глюкозы
(«реверсия» глюкозы).
Целлобиоза. Является основной строительной единицей клетчатки (целлю-
лозы). В свободном виде содержится в соке (пасоке) некоторых деревьев. По-
скольку в молекуле целлобиозы содержится свободный гликозидный гидроксил,
она восстанавливает фелингову жидкость и в водных растворах обнаруживает
мутаротацию. От мальтозы отличается тем, что содержит р-1,4-глюкозидную
связь. Таким образом, целлобиоза представляет собой Р-глюкозидоглюкозу:
Целлобиоза
168
Трисахариды. Рафиноза (мелитриоза) Ci8H320i6. Встречается во мно-
гих растениях, в частности в семенах хлопчатника и в засохших выделениях
(манне) эвкалипта. Содержится в сахарной свекле, накапливаясь в больших ко-
личествах в мелассе при производстве свекловичного сахара.
В свежеубранных корнях сахарной свеклы, содержащих до 20% сахарозы,
содержание рафинозы составляет от 0,2 до 1 % при расчете на сахарозу. Интерес-
но, что при хранении свеклы содержание рафинозы в ней возрастает.
Рафиноза кристаллизуется в виде длинных игл с пятью молекулами воды;
удельное вращение водных растворов +105,2°. Не восстанавливает фелингову
жидкость. При нагревании с кислотами рафиноза гидролизуется, образуя одну
молекулу глюкозы, одну молекулу фруктозы и одну молекулу галактозы. Фер-
ментативный гидролиз рафинозы идет по двум направлениям. Под действием фер-
мента сахаразы от рафинозы отщепляется фруктоза и остается мелибиоза. При
действии фермента а-галактозидазы, содержащейся в эмульсине (ферментный пре-
парат, получаемый из миндаля), рафиноза расщепляется на галактозу и тростни-
ковый сахар. Ниже показано строение рафинозы и те места в ее молекуле, в ко-
торых происходит разрыв при ферментативном гидролизе:
Действие а-галактозидазы Действие сахаразы
-галактопиранозы -глюкопиранозы
<-фруктофуранозы
Рафиноза
Тетрасахариды. Во многих растениях содержится тетрасахарид, получив-
ший название стахиозы. Стахиоза представляет собой соединение двух остатков а-галакто-
зы, одного остатка а-глюкозы и одного остатка (3-фруктозы:
Стахиоза частично сбраживается дрожжами. Она не содержит ни одного свободного
гликозидного гидроксила и поэтому не восстанавливает фелингову жидкость. Стахиоза со-
держится в корнях Stachys, в семенах желтого люпина, сои, гороха, чечевицы, в «манне»
некоторых видов ясеня.
Сладость различных сахаров. Сладкий вкус — важнейшее
свойство сахаров и их производных, различающихся между собой по этому при-
знаку. Необходимо, однако, отметить, что сладкий вкус свойствен многим дру-
гим веществам, ничего общего не имеющим по химической природе с сахарами
(например, сахарин). Сравнительные данные о сладости различных сахаров и их
производных таковы:
169
Сахароза.............. 100
Фруктоза...............173
Инвертный сахар .... 130
Глюкоза................ 74
Сорбит................. 48
Глицерин............... 48
Ксилоза..................40
Мальтоза.................32
Рамноза................. 32
Галактоза............... 32
Рафиноза ............... 23
Лактоза................. 16
Чрезвычайно высокой сладостью обладают некоторые белки. Так, например,
мопеллин —белок из ягод африканского растения Dioscoreophyllum cumminsii—
в 3000 раз слаще сахарозы. Молекулярная масса монеллина 10 700. Другой бе-
лок — тауматин, содержится в плодах африканского растения Thaumatococcus
danielli. Молекулярная масса его 18 000--21 000, он в 750—1000 раз слаще са-
харозы. В плодах тропического растения Synsepalum dulcificum содержится глико-
яротеид миракулин\ молекулярная масса его 44 000. Миракулин не обладает
сладким вкусом, но изменяет вкус кислых продуктов на сладкий.
Полисахариды 2-го порядка (полиозы). Большая часть углеводов, входя-
щих в группу полисахаридов 2-го порядка, представляет собой вещества с боль-
шой молекулярной массой, дающие коллоидные растворы. При изучении хими-
ческой природы высокомолекулярных полисахаридов очень трудным является
иолучение их в чистом виде. Перегонка этих веществ с целью их очистки невоз-
можна, а ряд других веществ, в частности минеральные соли и белки, присутст-
вующие в растениях, затрудняют получение чистых препаратов этих углеводов.
При изучении химического строения полисахаридов 2-го порядка очень боль-
шую роль сыграли методы введения в их молекулу различных органических ради-
калов, например метильного СН3— или ацетильного СН3—СО—. Метилирование
и ацетилирование, проводимые в мягких условиях, позволяют получать препара-
ты метильных и ацетильных производных высокомолекулярных полисахаридов
большей чистоты, чем исходные вещества. Вместе с тем введение метильных или
ацетильных радикалов в молекулу полисахарида сильно облегчает определение
структуры входящих в его состав моносахаридов, а также химической природы
связей, соединяющих остатки молекул отдельных моносахаридов. Весьма важ-
ным методом изучения высокомолекулярных полисахаридов является их частич-
ный кислотный или ферментативный гидролиз; с помощью мягкого кислотного
гидролиза было показано, что целлобиоза —основная структурная единица клет-
чатки. С помощью ферментов было установлено, что мальтоза представляет со-
бой основной «строительный кирпичик» крахмала.
Высокомолекулярные углеводы чрезвычайно важны в обмене веществ у
растений и животных, в питании животных и человека, в ряде отраслей промыш-
ленности. Так, крахмал является запасным углеводом растений, составляющим
большую часть веществ, входящих в состав многих важнейших пищевых продук-
тов: муки, хлеба, картофеля и круп.
Пектиновые вещества содержатся в большом количестве во фруктах, ягодах,
стеблях (лен) и корнеплодах (сахарная свекла) и играют важную роль при про-
мышленной переработке всех этих продуктов растительного происхождения. Клет-
чатка не усваивается желудочно-кишечным трактом человека, но она имеет ог-
ромное промышленное значение. Из клетчатки состоят хлопок, бумага, льняные
ткани, она используется для изготовления искусственного шелка (вискозы) и
взрывчатых веществ.
Крахмал не является химически индивидуальным веществом. В растениях
он находится в виде крахмальных зерен, различающихся по своим свойствам
и химическому составу как в одном и том же растении, так особенно в различных
растениях.
Крахмальные зерна имеют овальную, сферическую или неправильную фор-
му. На рис. 53 показаны под микроскопом крахмальные зерна некоторых важ-
нейших культур. Размеры (диаметр) крахмальных зерен колеблются в пределах
170 V
Рис. 53. Крахмальные зерна пшеницы (Л), овса (Б) и картофеля
(В)
от 0,002 до 0,15 мм. Наиболее крупные крахмальные зерна у картофеля, а са-
мые мелкие — у риса и гречихи.
Характерная форма крахмальных зерен дает возможность легко различать
их под микроскопом, что используется для обнаружения примеси одного про-
дукта к другому (например, кукурузной или овсяной муки к пшеничной).
Крахмальные зерна разделяются на простые и сложные: простые зерна
представляют собой однородные образования (крахмальные зерна картофеля,
пшеницы, ржи); сложные зерна являются сочетанием более мелких частиц (крах-
мальные зерна овса и риса).
Однако разделение зерновых культур на культуры, имеющие простые и
сложные крахмальные зерна, весьма условно. Например, наряду с простыми
крахмальными зернами у пшеницы попадаются также сложные и, наоборот, среди
преобладающих сложных у овса попадаются и простые.
Плотность крахмала равна в среднем 1,5. При исследовании крахмальных
зерен в поляризационном микроскопе обнаруживается, что они имеют двойное
лучепреломление, т. е. представляют собой кристаллическое тело. Действитель-
но, рентгенографические исследования показали, что крахмальные зерна обла-
дают кристаллической структурой.
Характерным свойством крахмала является его способность окрашиваться
в синий цвет при добавлении раствора иода в водном растворе йодистого калия.
Пользуясь этим реактивом, можно обнаружить очень малые количества крахмала.
Появление синего цвета при добавлении иода объясняется, по-видимому, обра-
зованием комплексных и адсорбционных соединений между иодом и крахмалом.
В холодной воде крахмальные зерна только лишь набухают, но не растворяются.
Если взвесь крахмальных зерен в воде постепенно нагревать, то они будут на-
бухать все сильнее и, наконец, при определенной температуре крахмал образует
вязкий коллоидный раствор, называемый крахмальным клейстером. Темпера-
тура, при которой происходит это изменение крахмала, называется темпера-
турой клейстеризации. Крахмал на 96,1—97,6% состоит из полисахаридов, об-
разующих при кислотном гидролизе глюкозу. Содержание минеральных веществ
в крахмале от 0,2 до 0,7%, они представлены в основном фосфорной кислотой.
В крахмале найдены также некоторые высокомолекулярные жирныекислоты —
пальмитиновая, стеариновая и др., содержание которых достигает 0,6%. Эти
жирные кислоты адсорбированы на полисахаридной фракции крахмала; они
могутбыть удалены из него экстракцией нейтральными органическими раствори-
телями, например метиловым спиртом. Фосфорная кислота в одних видах крах-
мала— кукурузном, пшеничном и рисовом—представляет собой примесь,
удаляемую экстракцией теплой водой, спиртом или диоксаном, а в других, на-
пример в картофельном, она связана сложноэфирной связью с углеводной частью.
Наличие такой прочной химической связи фосфорной кислоты в картофельном
крахмале доказывается тем, что при его кислотном или ферментативном гидро-
лизе получается глюкозо-6-фосфат. Некоторые исследователи придают большое
значение наличию в картофельном крахмале химически связанной фосфорной
кислоты, полагая, что именно от нее зависят многие физические и химические
свойства крахмала. Однако взгляд этот в настоящее время не имеет надежных
доказательств.
Углеводная часть крахмала состоит из полисахаридов двух типов, разли-
чающихся по своим физическим и химическим свойствам, —амилозы и амило-
пектина.
Амилоза легко растворяется в теплой воде и дает растворы со сравнительно
невысокой вязкостью. Амилопектин растворяется в воде лишь при
нагревании под давлением и дает очень вязкие растворы. Молекулярная
масса амилозы —3 105—1-Ю6, а у амилопектина достигает сотен миллионов.
Растворы амилозы весьма нестойки, и при стоянии из них выделяются кристалли-
ческие осадки. Амилопектин, наоборот, дает чрезвычайно стойкие растворы.
В молекуле амилозы остатки глюкозы связаны глюкозидными связями меж-
ду 1-м и 4-м углеродными атомами; образуют длинную цепочку:
н ОН н он н он
В молекуле амилопектина глюкозные остатки соединены глюкозидными свя-
зями не только между 1-м и 4-м углеродными атомами, но также между 1-м и 6-м;
образуют разветвленную структуру:
Рис. 54. Схема строения молекулы амилозы (Л) и амилопек-
тина (Б)
Строение молекулы амилопектина и
амилозы можно представить в виде схемы
(рис. 54). Амилоза окрашивается раство-
ром иода в синий цвет, а амилопектин — в
сине-фиолетовый. Установлено, что окра-
шивание амилозы иодом сопровождается
образованием комплексного химического
соединения. При этом молекулы иода рас-
полагаются внутри спирально изогнутых
цепочек амилозы (рис. 55). Окрашивание
амилопектина иодом, по-видимому, являет-
ся результатом образовайия как комплекс-
ных, так и адсорбционных соединений.
Содержание амилозы и амилопектина в
крахмале разных растений определено лишь
в последние годы после того, как были раз-
работаны достаточно точные методы. Важ-
Рис. 55. Схема строения комплекса
амилозы с иодом. В просвете спирально
изогнутой цепи, состоящей из глюкоз-
ных остатков (обозначены шестиуголь-
никами), расположены молекулы иода
(заштрихованы)
нейшие из этих методов следующие:
1) экстрагирование амилозы горячей водой;
2) осаждение амилозы из растворов с помощью бутилового и других спиртов;
3) избирательная адсорбция амилозы на клетчатке;
4) потенциометрическое титрование иодом.
Анализы различных крахмалов, проведенные с помощью указанных методов,
дали следующие результаты:
Крахмал
Амилоза, % Амилопектин, %
Картофельный........................ 19—22 78—81
Пшеничный ............................ 24 76
Кукурузный.......................... 21—23 77—79
Рисовый............................... 17 83
Крахмал яблок состоит только из амилозы.
Необходимо отметить, что содержание амилозы и амилопектина в крахмале
может изменяться в зависимости от сорта растения и от того, из какой части ра-
стения он получен. Например, в этом смысле различаются крахмалы круглых и
мозговых Горохов, крахмал из листьев и клубней картофеля или же крахмал из
зерна различных сортов кукурузы. Если содержание амилозы в крахмале из
клубней картофеля составляет 22%, то в крахмале из молодых побегов картофеля
оно равно 46%. Если в крахмале из зерна обычной кукурузы содержится 22о/о
амилозы, то в крахмале так называемой восковидной кукурузы (Zea mays ceratina)
173
амилоза отсутствует полностью, вследствие чего крахмал из зерен этого растения
окрашивается иодом в красно-коричневый цвет. С другой стороны, выведены
сорта кукурузы, крахмал которых содержит до 82 % амилозы.
Соотношение амилозы и амилопектина в крахмале изменяется также во время
созревания кукурузного зерна.
При кипячении с кислотами крахмал превращается в глюкозу. При более
слабом воздействии кислот (например, 7,5 % НС1 в течение семи дней при ком-
натной температуре) образуется так называемый «растворимый крахмал», часто
применяемый в лабораториях.
Под действием фермента амйлазы, содержащегося в особенно большом коли-
честве в проросшем зерне, в слюне и в соке, выделяемом поджелудочной желе-
зой, происходит ферментативное осахаривание крахмала —он расщепляется с
образованием в конечном счете мальтозы.
В качестве промежуточного продукта при гидролизе крахмала в большем
или меньшем количестве образуются полисахариды разной молекулярной мас-
сы — декстрины.
На первых стадиях гидролиза получаются декстрины, мало отличающие-
ся от крахмала по размерам молекулы и по свойствам. С иодом они дают си-
нюю или фиолетовую окраску.
По мере дальнейшего гидролиза молекулярная масса декстринов понижа-
ется, увеличивается их способность восстанавливать фелингову жидкость, и
они от иода начинают окрашиваться в темно-бурый, затем в красный цвет
и, наконец, перестают давать реакцию с иодом. В соответствии со свойствами
различают следующие виды декстринов:
1) амилодекстрины, окрашивающиеся раствором иода в фиолетово-синий
цвет и представляющие собой белые порошки, растворимые в 25%-ном спирте,
но осаждаемые 40%-ным спиртом; удельное вращение амилодекстринов [сс]|°
колеблется от -1-190 до +196°;
2) эритродекстрины, окрашивающиеся иодом в красно-бурый цвет; раство-
ряются в 55%-ном этиловом алкоголе, но осаждаются при концентрации его, рав-
ной 65%; удельное вращение эритродекстринов [а]р = + 194°; из теплых алко-
гольных растворов они кристаллизуются в виде сферокристаллов;
3) ахроодекстрины, не окрашивающиеся иодом, растворимые в 70 %-ном спир-
те, при выпаривании горячих спиртовых растворов образуют сферокристаллы;
удельное вращение 1а1о°= +192°;
4) мальтодекстрины не дают реакции с иодом и не осаждаются спиртом:
|а]2° =ОТ +181 ДО +183°.
Инулин. Высокомолекулярный углевод, растворимый в воде, осаждаю-
щийся из водных растворов при добавлении спирта. При гидролизе с помощью
кислот образует фруктофуранозу и небольшое количество глюкопиранозы. Со-
держится в большом количестве в клубнях земляной груши и георгина, в корнях
одуванчика, кок-сагыза и цикория, в артишоках, в корнях, листьях и стеблях
каучуконосного растения гваюлы (Parthenium argentatum). В этих растениях
инулин заменяет крахмал.
В клубнях георгина и артишока инулин составляет более 50% от сы-
рой массы ткани.
Биосинтез и превращение инулина и инулиноподобных полифруктозидов
особенно хорошо изучены на примере земляной груши и артишока (Д. Эдель-
ман, Р. Дедонер).
Растения, содержащие инулин, используются для получения фруктозы.
Поскольку все фруктозиды, в том числе и инулин, очень легко гидролизуют-
ся кислотами, получение фруктозы из инулиясодержащего сырья, осуществля-
ется именно путем кислотного гидролиза.
174
Количество остатков фруктозы, связанных в молекуле инулина гликозид-
ными связями между 1-м и 2-м углеродными атомами, по-видимому, равно 34.
Поэтому строение молекулы инулина можно изобразить следующим образом:
В растениях, плесневых грибах и дрожжах содержится особый фермент —
инулаза, который гидролизует инулин с образованием фруктозы.
Во многих растениях содержатся различные другие полисахариды, дающие
при кислотном гидролизе фруктофуранозу. Таковы, например, ирисин из корне-
вищ ириса, аспарагозин из корней спаржи, полифруктозиды из стеблей, листьев
и корневищ многих злаков, секалин из ржи и т. д. В созревающих зернах злаков —
ржи, пшеницы, овса и ячменя —эти полисахариды содержатся в очень большом
количестве. По данным А. Р. Кизеля и В. Л. Кретовича, на ранних стадиях со-
зревания ржаного зерна их содержится до 30% на сухое вещество. По мере созре-
вания зерна эти полисахариды постепенно превращаются в крахмал, что указы-
вает на легкость превращения в растениях фруктозы в глюкозу.
Как показали работы Г. Шлюбаха, полифруктозиды, содержащиеся в листь-
ях, стеблях и зернах злаков, различаются по своим молекулярным массам, раст-
воримости и другим свойствам. Часть из них представляет собой полисахариды
1-го порядка. Так, ^-левулин, найденный в стеблях ржи, является кристалличе-
ским веществом, соответствующим формуле С12Н22О11, и содержит, следователь-
но, два фруктозных остатка; секалин, выделенный из листьев и стеблей ржи, имеет
молекулярную массу 663, что соответствует содержанию в его молекуле четырех
фруктозных остатков. Содержащийся в зрелых зернах ржи коллоидный поли-
фруктозид граминин содержит в молекуле 10 фруктозных остатков. Таким об-
разом, в растении ржи имеют место переходы от фруктозидов с небольшой моле-
кулярной массой к полифруктозидам большой молекулярной массы. Аналогич-
ные переходы от низкомолекулярных кристаллических полифруктозидов к более
высокомолекулярным соединениям, вплоть до инулина, имеют место в растении
земляной груши.
ТакихМ образом, полифруктозиды образуют в растениях гомологический ряд
веществ с возрастающей величиной молекулы. Крайними членами этого ряда
являются дифруктозид ₽-левулин и инулин, в молекуле которого содержится
34 остатка фруктозы.
Полифруктозиды, подобно инулину, обычно содержат очень небольшое ко-
личество глюкопиранозы и очень легко гидролизуются под действием разбавлен-
ных кислот.
175
Гликоген, Полисахарид, содержащийся в тканях тела человека и животных,
в грибах и дрожжах, в зерне сахарной кукурузы. Играет важную роль в пре-
вращениях углеводов в животном организме и в дрожжах при спиртовом броже-
нии. При кипячении с кислотами образует глюкозу. Гликоген растворяется в
горячей воде, образуя опалесцирующие растворы. От иода
окрашивается в красный, коричнёвый, реже фиолетовый
цвет. По строению гликоген сходен с амилопектином, хотя
и отличается от него большей молекулярной массой. Мо-
лекулы обоих полисахаридов имеют разветвленную струк-
туру, но гликоген отличается большей «компактностью»
молекулы. Схема строения молекулы гликогена представ-
лена на рис. 56.
Каллоза, Полисахарид, содержащийся в ситовидных трубках
растений. Представляет собой глюкан, молекула которого состоит
приблизительно из 100 остатков глюкозы, соединенных между со-
бой Р-1—3 связями.
Рис. 56. Схема стро-
ения молекулы гли-
когена
Каллоза
По-видимому, каллоза играет в растениях какую-то важную физиологическую роль,
так как легко образуется и с такой же легкостью расходуется. Однако сведения о биохимии
и физиологии каллозы весьма скудны.
Лихенин. Полисахарид, содержащийся в лишайниках. Особенно много лихенина со-
держится в лишайнике, называемом «исландским мхом» (Cetraria islandica), а также в ли-
шайниках из рода алектория (A lector ia ochroleuca). В этих лишайниках лихенина содержит-
ся до 45—50% на сухое вещество.
Лихенин растворяется'в горячей воде и в разбавленных водных растворах щелочей,
при гидролизе кислотами образует 98—99% D-глюкозы. По-видимому, лихенин — смесь
гомологических полимеров разной молекулярной массы. Остатки глюкозы связаны в лихе-
нине двояким образом — на 73% глюкозидными связями между 1-м и 4-м углеродными
атомами (как в амилозе) и на 27% — глюкозидными связями между 1-м и 3-м углеродными
атомами.
Желудочно-кишечный тракт северных оленей, для которых лишайники являются
основным кормом, переваривает лихенин на 78%. При этом сами по себе пищеварительные
соки северного оленя не переваривают лихенин; его переваривание осуществляют бактерии
пищеварительного тракта оленей.
Организмом человека лихенин не усваивается.
Лихенин может быть использован в качестве желирующего вещества в кондитерской
промышленности; жители Севера применяют лишайники для приготовления ягодных кисе-
лей и желе.
Клетчатка (целлюлоза). Полисахарид, составляющий главную массу кле-
точных стенок растений. Клетчатка нерастворима в воде, она лишь набухает
в ней. Клетчатка составляет более 50% древесины. В волокнах хлопка она со-
ставляет более 90%. При кипячении с крепкой серной кислотой клетчатка на-
цело превращается в глюкозу. При более слабом гидролизе из клетчатки полу-
чается целлобиоза.
В молекуле клетчатки остатки целлобиозы связаны гликозидными связями
в виде длинной цепочки:
176
Н ОН СНэРН
остаток целлобиозы
Конформация молекулы целлюлозы
Молекулярная масса клетчатки точно не установлена. Полагают, что клет-
чатка не является индивидуальным веществом, а представляет собой смесь гомо-
логичных веществ. Молекулярные массы клетчатки, полученной из различных
источников, весьма сильно колеблются (табл. 5).
Хотя эти данные ясно свидетельствуют о существенных различиях моле-
кулярных масс, определяемых различными методами, все же в среднем можно
принять, что молекула клетчатки содержит от 1400 до 10 000 глюкозных остатков.
Таблица 5
Молекулярные массы клетчатки различного происхождения
Источник клетчатки Метод определения молекулярной массы Молекулярная масса Число глюкозных остатков в цепочке
Хлопок По вязкости растворов 330 000 2020
Рами » » » 430 000 2660
Еловая древе- » » » 220 000 1360
сина
Хлопок В Ультрацентрифуге 150 000—500 000 1000—3000
Рами » » 1 840 000 11 300
С помощью рентгеноструктурного анализа установлено, что молекулы клет-
чатки имеют нитевидную
ки —мицеллы. Каждая
мицелла состоит приб-
лизительно из 40—60
молекул клетчатки.
Соединение отдель-
ных молекул клетчатки
в мицеллы происходит
благодаря водородным
связям, которые осуще-
ствляются как за счет
водородных атомов гид-
роксильных групп клет-
чатки, так и за счет ад-
сорбированных клетчат-
кой молекул воды. На
рис. 57 показана схема
водородных связей меж-
ду молекулами клетчатки.
форму. Эти нитевидные молекулы соединяются в пуч-
Рис. 57. Схема водородных связей между параллельными
молекулами сухой клетчатки (Л) и увлажненной клетчат-
ки (Б)
177
Рис. 58. Электронография клеточной стен-
ки из корня кукурузы (увел, в 20 000 раз)
Расположение мицелл в лубяных
волокнах и клеточных стенках изучено
с помощью электронного микроскопа.
На рис. 58 показано взаимное располо-
жение мицелл клетчатки в клеточной
стенке корня кукурузы. Мицеллы обра-
зуют определенным образом ориентиро-
ванную сетчатую структуру.
В клеточных стенках растений ми-
целлы клетчатки связаны водородными
связями с различными гетерополисаха-
ридами. Например, у белого клена ими
являются соединенные между собой гли-
козидными связями ксилоглюкан, со-
стоящий из остатков глюкозы, ксилозы,
галактозы и фукозы; арабиногалактан,
построенный из остатков арабинозы и
галактозы; рамногалактуронан, образо-
ванный остатками галактуроновой кис-
лоты и рамнозы. Кроме того, имеются
данные о том, что в построении клеточ-
ной стенки растений, особенно на ранних
этапах ее образования, принимает учас-
тие также особый, богатый оксипролином гликопротеид экстензии. При одре-
веснении клеточных стенок в них накапливается также лигнин (см. с. 302).
Целлюлоза не переваривается в желудочно-кишечном тракте человека. Она
переваривается лишь жвачными животными, в желудке которых имеются особые
бактерии, гидролизующие клетчатку с помощью выделяемого ими фермента цел-
люлазы.
Гемицеллюлозы (полуклетчатки). Под этим названием объединяют боль-
шую группу высокомолекулярных полисахаридов, не растворяющихся в воде,
но растворимых в щелочных растворах. Гемицеллюлозы содержатся в значитель-
ном количестве в одревесневших частях растений: соломе, семенах, орехах, дре-
весине, кукурузных початках. Большое количество гемицеллюлоз содержится
в отрубях.
Гемицеллюлозы гидролизуются кислотами легче, чем клетчатка. При этом
они образуют маннозу, галактозу, арабинозу или ксилозу и поэтому соответст-
венно носят названия —маннаны, галактаны и пентозаны (арабан или ксилан).
Маннан, содержащий от 200 до 400 остатков маннозы в молекуле, найден
в дрожжах. Некоторое количество маннанов содержится в древесине хвойных
деревьев (от 2 до 7<%). Водорастворимые маннан и галактан выделяются мице-
лием плесневых грибов, принадлежащих к роду Penicillium.
Галактаны широко распространены в растениях и входят в состав клеточ-
ных стенок соломы, древесины и многих семян. Типичным представителем этой
группы полисахаридов является галактан, содержащийся в семенах люпина. Кгк
видно из приведенной ниже формулы, в его молекуле содержится около 120 ос-
татков галактопиранозы:
178
Ксиланы содержатся в значительных количествах в соломе (до 28%), древе-
сине (в дубовой до 25%) и растительных волокнах.
Основным структурным элементом ксиланов является линейный или, воз-
можно, слегка разветвленный полисахарид, образованный остатками (J-ксило-
пиранозы, соединенными между собой 1,4-связями:
Обычно ксилан, содержащийся в каком-либо растительном объекте, пред-
ставляет собой смесь различных полисахаридов с близкими молекулярными
массами (обычно от 50 до 200 ксилозных остатков), но отличающихся природой
сахарного остатка в «ответвлениях» молекулы. Так, например, ксилан из пше-
ничной муки построен следующим образом:
Ксл 1 ... 4Ксл 1 .... 4Ксл 1 ... 4Кся 1 ... 4Ксл
23 3
/ \ ।
1 1 1
Арф Арф Арф
Обозначения: Кс — остаток ксилопиранозы; Арф — остаток арабофуранозы.
Аналогичное строение имеет, по-видимому, также пентозан ячменного зерна.
Таким образом, при гидролизе этих гемицеллюлоз получается арабиноза и кси-
лоза. В некоторых растительных тканях содержатся также метилпентозаны, даю-
щие при гидролизе с кислотами метилпентозы.
При продолжительном кипячении с крепкой соляной кислотой (12—14 %) пен-
тозаны образуют фурфурол, а метилпентозаны —метилфурфурол:
СН-СН
II II '
СН С о
\ S
о сч
\н
Фурфурол
СН-СН
II II
С с о
/ \ / \//
сн, о с
Метилфурфурол
Многие гемицеллюлозы наряду с пентозанами содержат также полиурониды,
т. е. производные полисахаридов, образующие при гидролизе уроновые кислоты.
Такие полиуронидные гемицеллюлозы содержат либо остатки галактуроновой
кислоты и ксилозы, либо остатки галактуроновой кислоты и арабинозы. Напри-
мер,пшеничная солома содержит гемицеллюлозу, состоящую из уроновой кислоты,
арабинозы и ксилозы примерно в соотношениях 1 : 1 : 23. Гемицеллюлоза, содер-
жащаяся в кукурузных кочерыжках, на 5,1 % состоит из остатков глюкуроновой
кислоты и на 94,8%из остатков ксилозы. По-видимому, остатки уроновых кислот
содержатся в молекуле гемицеллюлозы в виде метиловых эфиров.
Слизи и гумми, К этой группе коллоидных полисахаридов принадлежат
растворимые в воде углеводы, образующие чрезвычайно вязкие и клейкие раст-
воры. Типичными представителями этой группы являются гумми, выделяемые
в виде наплывов вишневыми, сливовыми или миндальными деревьями в местах
повреждения ветвей и стволов. Слизи содержатся в большом количестве в льняных
семенах и в зерне ржи. Их наличие объясняет высокую вязкость употребляемого
в медицине отвара из льняных семян или же водной болтушки ржаной муки.
179
раствора, %
Рис. 59. Вязкость
водных растворов
ржаных слизей и
других веществ:
1 — слизи ржаного
зерна, 2 — желатина,
3 — крахмальный клей-
стер, 4 — яичный аль-
бумин
Полисахариды вишневого клея состоят из остатков га-
лактозы, маннозы, арабинозы, D-глюкуроновой кислоты и
незначительного количества ксилозы. Слизи ржаного зерна
почти на 90 % состоят из пентозанов. Они сильно набухают в
воде и дают весьма вязкие растворы. Их вязкость значитель-
но выше вязкости растворов желатины, крахмального клей-
стера или белка (рис. 59). При кислотном гидролизе слизи
ржаного зерна образуют ксилозу, арабинозу и незначитель-
ное количество галактозы.
Пектиновые вещества. Пектиновые вещества — высоко-
молекулярныесоединения углеводной природы, содержащиеся
в большом количестве в ягодах, фруктах, клубнях и стеблях
растений. В растениях пектиновые вещества присутствуют в
виде нерастворимого протопектина, представляющего собой
соединение метоксилированной полигалактуроновой кислоты
с галактаном и арабаном клеточной стенки. Протопектин пе-
реходит в растворимый пектин лишь после обработки разбав-
ленными кислотами или под действием особого фермента
протопектиназы. Из водного раствора растворимый пектин
осаждается спиртом или 50%-ным ацетоном. Характерным и
важным свойством пектина является его способность давать студни в присут-
ствии кислоты и сахара. Это свойство широко используется в кондитерской про-
мышленности при производстве желе, джема, мармелада, пастилы и фрукто-
вых карамельных начинок.
Образование пектинового студня происходит в присутствии 65—70% сахара
(сахарозы или гексозы); такая концентрация приблизительно соответствует на-
сыщенному раствору сахарозы. В образующемся студне содержится от 0,2 до
1,5% пектина. Лучше всего образование пектиновых студней происходит при pH
3,1—3,5.
Пектины различного происхождения различаются по способности к желиро-
ванию, по содержанию золы и метоксильных групп СН3О—.
Ниже показано строение арабана и метоксилированной полигалактуроновой
кислоты:
Метоксилированная полигалактуроновая кислота — растворимый пектин с мо-
лекулярной массой от 25 000 до 360 000.
При действии на растворимый пектин разбавленных щелочей или фермента
пектазы метоксильные группы легко Отщепляются —образуются метиловый
спирт и свободная пектиновая кислота, которая представляет собой полигалак-
туроновую кислоту. Пектиновая кислота легко дает соли — пектаты. В виде
пектата кальция она легко осаждается из раствора; этим пользуются для коли-
чественного определения пектиновых веществ. Пектиновая кислота в присутст-
вии сахара не способна образовывать студни подобно растворимому пектину.
Поэтому при промышленном получении пектина стараются по возможности из-
бежать его щелочного или ферментативного гидролиза, вызывающего снижение
желирующей способности пектина.
Пектиновые вещества играют важную роль при созревании, хранении и
промышленной переработке различных плодов и овощей. Во время развития
плодов протопектин отлагается в клеточных стенках и может накапливаться
в плодах в значительных количествах (например, в грушах, яблоках и плодах
цитрусовых культур). Созревание плодов характеризуется превращением прото-
пектина в растворимый пектин. Так, у яблок содержание пектиновых ве-
ществ достигает максимума приблизительно к периоду уборки плодов. При
последующем хранении плодов при температурах, близких к 1°С, содержание
протопектина постепенно понижается и происходит накопление растворимого
пектина. Приведем данные о содержании пектиновых веществ в плодах и ово-
щах, % (по Ф. В. Церевитинову):
Яблоки ....................0,82—1,29
Абрикосы...................... 1,03
Слива....................... 0,96—1,14
Черная смородина ............. 1,52
Клюква..................... 0,5—1,30
Морковь .................... 2,5
Сахарная свекла............. 2,5
Пектиновые вещества играют также важную роль при обработке раститель-
ных волокон, например льна. Процесс мочки льна основан на том, что под дей-
ствим особых микроорганизмов, выделяющих ферменты, гидролизующие пекти-
новые вещества, происходит мацерация стеблей льна и отделение волокон друг
от друга.
Агар-агар. Высокомолекулярный полисахарид, содержащийся в некоторых морских
водорослях, принадлежащих к родам Gelidium, Gracilaria, Pterocladia и Ahnfeltia.
В СССР агар-агар добывают из багряной водоросли анфельции, произрастающей в Бе-
лом, Баренцевом и Балтийском морях, а также в водоемах Дальнего Востока.
В холодной воде агар-агар нерастворим, но растворяется в ней при нагревании. Вод-
ные растворы его при охлаждении застывают в виде студня.
Агар-агар применяется в бактериологии для приготовления твердых питательных
сред, в кондитерской промышленности для изготовления различных желе, пастилы, марме-
лада, джемов.
По-видимому, агар-агар — смесь по крайней мере двух полисахаридов — агарозы и
агаропектина- Агароза, по всей вероятности, состоит из остатков D-галактозы и 3,6-ангидро-
L-галактозы, соединенных между собой а-1,3- и (3-1,4-гликозидными связями. Гораздо мень-
ше'известно о структуре агаропектина, который, по-видимому, состоит из цепочек, образуе-
мых остатками D-галактопиранозы, некоторые из которых связаны сложноэфирной связью
с остатками серной кислоты.
В багряной водоросди филлофоре, произрастающей в больших количествах в Черном
море, содержатся агароид и агароидин — желирующие вещества углеводной природы, от-
личающиеся от агара по своей химической природе. Из багряной водоросли Chondrus полу-
чают желеобразное вещество каррагинин. Химическое строение агароида, агароидина и
каррагинина недостаточно выяснено. Каррагинин — полисахарид, состоящий, главным
образом, из остатков галактопиранозы, соединенных а-1,3- и (3-1,4-гликозидными связями;
большая часть остатков галактопиранозы при четвертом углеродном атоме связана сложно-
эфирной связью с остатком серной кислоты. Каррагинин имеет, по-видимому, разветвленную
181
структуру и состоит из компонентов с различной молекулярной массой — от 358 000 до
700 000.
Альгиновая кислота. Этот полисахарид является составной частью клеточных стенок
многих водорослей, принадлежащих к родам Macrocystis, Laminaria и Fucus. Альгиновая
кислота, по видимому, аналог пектиновой кислоты, но состоит из остатков D-маннуроновой
и L-гулуроновой кислот, связанных (3-гликозидными связями, расположенными между 1-м
углеродным атомом одного остатка маннуроновой или гулуроновой кислот и 4-м углерод-
ным атомом другого. В водорослях альгиновая кислота присутствует в виде солей и содер-
жится в них в количестве 30% от сухой массы водорослей. Альгиновая кислота и ее соли,
главным образом натриевая, широко применяются в качестве эмульгирующих средств; осо-
бенно широко они применяются как стабилизаторы при производстве мороженого и различ-
ных технических эмульсий.
Полисахариды бактерий. Бактерии образуют значительные количества полисахари-
дов, которые содержатся в цитоплазме или отлагаются в виде запасов питательных веществ,
либо находятся на поверхности клетки, образуя слизистый защитный слой (капсулу). Часто
капсулы растворяются в жидкости, в которой развиваются бактерии. У патогенных бактерий
капсула является, в первую очередь, средством защиты клетки от фагоцитов. У почвенных
бактерий, подобных некоторым азотфиксирующим бактериям, вещества, образующие капсулу,
по-видимому, в какой-то мере защищают клетки от почвенных простейших. Типичные пред-
ставители бактериальных полисахаридов — декстраны — группа полиглюкозидов, образуе-
мых из тростникового сахара различными видами Leuconostoc. Строение главной цепочки мо-
лекулы декстрана схематически может быть представлено следующим образом:
।
।
Декстраны — водорастворимые полисахариды с удельным вращением водных раст-
воров около +200°; с молекулярной массой около миллиона и более. Главные цепи в их мо-
лекулах могут иметь линейную или разветвленную структуру. В последние годы декстраны
привлекают к себе внимание в связи с тем, что продукты их гидролиза с молекулярной мас-
сой 70 000 — 90 000 применяются в качестве заменителей плазмы крови.
Некоторые непатогенные микроорганизмы при развитии на растворах сахарозы обра-
зуют полифруктозиды, называемые леванами. Значительные количества леванов образуют,
например, некоторые виды стрептококка и сенная палочка Bacillus subtilis, вызывающая так
называемую тягучую "болезнь хлеба. Основной структурный элемент леванов — цепочка из
метоксилированных остатков фруктофуранозы:*
Многие леваны образуются бактериями, патогенными для растений, например Bacillus
pruni, однако возможная роль этих полисахаридов в развитии заболевания неясна.Слизистые
полисахариды, подобные леванам и декстранам, образуют также почвенные бактерии, при-
чем, по-видимому, эти углеводы играют определенную роль в агрегировании почвы и сохра-
нении в ней влаги.
Своеобразное строение имеют капсульные полисахариды азотфиксирующих бактерий
например, клубеньковых Rhizobium sp. Эти полисахариды наряду с остатками глюко-
пиранозы содержат остатки глюкуроновой кислоты:
J kj /-Apo-J L
—к1 VcA
_СН2ОН СООН
182
В заключение необходимо подчеркнуть, что некоторые так называемые специфические
полисахариды бактерий играют чрезвычайно важную роль в явлениях иммунитета живот-
ных и человека.
ВЗАИМОПРЕВРАЩЕНИЯ УГЛЕВОДОВ В РАСТИТЕЛЬНЫХ ОРГАНИЗМАХ
Первичным улавливаемым продуктом фотосинтеза является фосфоглице-
риновая кислота. При дальнейших превращениях она дает различные моно-
сахариды — глюкозу, фруктозу, маннозу и галактозу. Эти моносахариды обра-
зуются без всякого участия света, исключительно в результате «темновых»
ферментативных реакций. Образование гексоз из фосфоглицериновой кислоты или
фосфоглицеринового альдегида происходит благодаря действию фермента альдо-
лазы (см. с. 146). Этот фермент катализирует реакцию взаимодействия фосфо-
глицеринового альдегида и фосфодиоксиацетона с образованием фруктозоди-
фосфата:
Фосфо диоксиацетон -f- 3-фосфоглицериновый альдегид фруктозе-1,6-дифосфат.
Альдолаза чрезвычайно широко распространена в растительном мире. Она
найдена у микроорганизмов, грибов, папоротников, хвойных, однодольных и
двудольных растений. В наибольшем количестве альдолаза содержится в актив-
но растущих частях растений. Альдолаза играет важнейшую роль в процессах
превращения сахаров в растениях.
Опыты с ассимилирующими зелеными листьями растений или зелеными
одноклеточными водорослями Chlorella и Scenedesmus показали, что наряду с
моносахаридами в листьях на свету чрезвычайно быстро образуются также саха-
роза и крахмал. Однако образование сахарозы и крахмала — вторичный процесс
ферментативного превращения ранее образовавшихся моносахаридов. Известно,
что крахмал может накапливаться в срезанных листьях в темноте, при погру-
жении их черешков в растворы различных сахаров, глицерина и других веществ
углеводной природы.
Возможность синтеза крахмала в растениях без всякого участия световой
энергии достаточно полно определяется прежде всего тем, что синтез крахмала
может быть осуществлен в лаборатории из глюкозо-1-фосфата с помощью фермента
фосфорилазы и других ферментов.
Сахароза точно так же может синтезироваться в растительном организме в
полной темноте. Так, при вакуум-инфильтрации моносахаридов в листья сахар-
ной свеклы или в проростки ячменя, находящиеся в темноте, весьма быстро на-
капливается сахароза. При инфильтрации глюкозы или фруктозы ее количество
в проростках ячменя может доходить до 6% от сухой массы.
Сахароза может образовываться в растениях не только при введении в них
глюкозы или фруктозы, но также и других гексоз. Например, при вакуум-ин-
фильтрации в проростки ячменя маннозы, галактозы, лактозы, мальтозы и гли-
церинового альдегида также наблюдается заметное накопление сахарозы. Из
пентоз — арабинозы и ксилозы — сахароза не образуется.
Образование сахарозы и крахмала при введении в ткани того или иного
сахара указывает на чрезвычайную легкость, с которой происходит в растении
их взаимное превращение
Каков же механизм подобного взаимопревращения моносахаридов в расте-
нии?
Взаимопревращения моносахаридов происходят в результате действия
соответствующих ферментов, катализирующих реакции фосфорилирования и
образования фосфорных эфиров сахаров. Разнообразные гексозофосфорные эфи-
ры найдены в целом ряде растений.
В растительных организмах обнаружены также ферменты, катализирую-
183
щие образование фосфорных эфиров сахаров и их взаимные превращения. Так,
например, под действием фермента гексокиназы глюкоза превращается в глюко-
зо- 6-фосфат (см. с. 120).
Под действием фермента глюкозофосфат-изомеразы, содержащегося в дрож-
жах и в высших растениях, происходит обратимое превращение глюкозо-6-фос-
фата во фруктозо-6-фосфат и маннозо-6-фосфат (см. с. 148). Благодаря действию
фосфоглюкомутазы глюкозо-6-фосфат может обратимо превращаться в глюкозо-
1-фосфат (см. с. 122). Фосфофруктокиназа (2.7.1.11) катализирует превращение
фруктозо-6-фосфата во фруктозо-1,6-дифосфат.
В бесклеточных ферментных препаратах, выделенных из растений, найдены
L-арабинокиназа (2.7.1.46) и D-галактокиназа (2.7.1.6), катализирующие ре-
акции фосфорилирования L-арабинозы и D-галактозы с образованием соответст-
венно Р-Ь-арабинозо-1-фосфата и а-В-галактозо-1-фосфата согласно уравнению
D-галактоза -f- ATP -> a-D-галактозо-Ьфосфат + ADP
L-арабиноза -f- ATP -> p-L-арабинозо-!-фосфат + ADP.
В растениях найдены также изомеразы, катализирующие взаимопревра-
щения уроновых кислот:
UDP-D-глюкуроновая кислота UDP-D-галактуроновая кислота
а также ксилозы и арабинозы:
UDP-D-ксилоза 7"* UDP = L-арабиноза.
Ферментативное превращение галактозы в глюкозу осуществляется в две
стадии. Первая из них происходит благодаря каталитическому действию фер-
мента галактокиназы, превращающего галактозу при участии аденозинтрифос-
форной кислоты в галактозо-1-фосфат:
Галактоза + АТР галактозо-1-фосфат + ADP.
Вторая стадия заключается в ферментативном превращении галактозо-1-
фосфата в глюкозо-1-фосфат. Ферменты, катализирующие эти превращения,
выделены из дрожжей. Образовавшийся глюкозо-1-фосфат может далее под дей-
ствием фосфоглюкомутазы подвергаться ферментативному превращению в глю-
козо-6-фосфат, а последний благодаря действию глюкозофосфат-изомеразы —
во фруктозо-6-фосфат.
Образование свободных моносахаридов из их фосфорных эфиров происходит
под действием фосфатаз, также чрезвычайно широко распространенных в ра-
стениях и микроорганизмах (см. с. 130).
Примером такой фосфатазы является фермент, выделенный из незрелых семян гороха
и катализирующий гидролиз глюкозо-1-фосфата, глюкозо-6-фосфата, галактозо-1-фосфата
и фруктозо-6-фосфата; фермент имеет оптимум pH при 4,4—4,7, причем он значительно
быстрее гидролизует глюкозо-6-фосфат и фруктозо-6-фосфат, чем глюкозо-1-фосфат и галак-
тоз о-1-фосфат.
Чрезвычайно широко распространена в растениях сахароза — углевод, синте-
зирующийся только в растительном организме и играющий очень большую роль
в обмене веществ у растений. Сахароза — наиболее легко усвояемый растением
сахар. Например, при культивировании в стерильных условиях отдельных
органов растений — корней или зародышей — было показано, что сахароза яв-
ляется прекрасным источником углеводного питания, значительно превосходя-
щим почти все другие сахара.
х В некоторых растениях сахароза может накапливаться в чрезвычайно боль-
ших количествах, например, в сахарной свекле и сахарном тростнике.
Рассмотрим процесс синтеза сахарозы в растениях. Косвенные указания,
184
свидетельствующие о важной роли фосфорной кислоты в процессе ферментатив-
ного синтеза сахарозы в растениях, подтвердились после открытия сахарозо-
фосфорилазы — фермента, катализирующего синтез сахарозы из глюкозо-1-фос-
фата и фруктозы (см. с. 126). Сахарозофосфорилаза обнаружена лишь у некото-
рых бактерий.
Синтез сахарозы в растениях происходит путем реакции трансгликозилиро-
вания. В зародышах пшеницы, кукурузы и бобов, а также в клубнях земляной
груши, семенах гороха, в ростках картофеля имеется фермент сахарозосинтаза
(2.4.1.13), катализирующий реакцию уридиндифосфатглюкозы (UDPG) с фрук-
тозой. В ходе этой реакции образуются сахароза и уридиндифосфат (UDP):
UDPG + фруктоза UDP -f- сахароза.
В листьях сахарной свеклы, шпината и в пшеничных зародышах обнаружен
фермент сахарозофосфат-синтаза (2.4.1.14), катализирующий синтез сахаро-
зо-6-фосфата из фруктозо-6-фосфата и уридиндифосфатглюкозы:
UDPG + фруктозо-6-фосфат т-9" UDP 4- сахарозо-6-фосфат.
Уридиндифосфатглюкоза найдена в пшеничных зародышах, проростках фа-
соли, листьях сахарной свеклы, в одноклеточной зеленой водоросли Chlorella,
а также в плодах банана:
Уридиндифосфатглюкоза
(UDPG)
Таким образом, превращения сахарозы у высших растений происходят путем
трансгликозилирования в соответствии с одной из вышеуказанных реакций.
Установление факта ферментативного синтеза сахарозы при участии уридин-
дифосфатглюкозы имеет принципиальное значение, так как в растениях может
происходить присоединение фруктозы к остатку глюкозы, соединенному не только
с уридиндифосфатом, но также с рядом других фосфорилированных нуклеозидов.
Первая из вышеназванных ферментных систем в живой растительной клетке
катализирует, по-видимому, расщепление сахарозы. Ферментативная реакция
взаимодействия уридиндифосфатглюкозы с фруктозо-6-фосфатом в живом расте-
нии, по-видимому, осуществляет в основном синтез сахарозы.
Путем трансгликозилирования при участии UDPG происходит также био-
синтез трегалозы у дрожжей. Из диализированного дрожжевого сока пивных
дрожжей выделен фермент, катализирующий реакцию
UDPG + глюкозо-6-фосфат —* UDP + трегалозо-6-фосфат.
Уридиндифосфатглюкоза, по-видимому, играет первостепенную роль также
и в процессе синтеза в растениях гликозидов. Гликозиды могут образовываться
благодаря синтезирующему действию соответствующих гликозидаз, например
р-глюкозидазы, с которой были проведены знаменитые исследования Э. Бурклб.
Однако установлено, что биосинтез гликозидов в растении может идти также пу-
185
гем реакции ферментативного трансгликозилирования при участии уридинди-
фосфатглюкозы. Например, в пшеничных зародышах содержатся ферменты,
катализирующие синтез гликозида арбутина из гидрохинона и уридиндифосфат-
глюкозы, являющейся источником сахара. Ферментный препарат, выделенный
из молодых растений фасоли, катализирует синтез гликозида кверцетинмоно-
глюкуронида из кверцетина и уридиндифосфатглюкуроновой кислоты.
Синтез широко распространенной в растениях рафинозы происходит путем
ферментативного трансгликозилирования, при котором остаток галактозы пере-
носится с уридиндифосфатгалактозы на сахарозу.
Синтез в растениях такого важного запасного углевода, каким является
крахмал, происходит под действием фермента синтетазы крахмала (2.4.1.21) при
участии иОРглюкозы или АВРглюкозы:
п UDP глюкоза + акцептор ^2 п UDP + акцептор — [(al -> 4)-П-глюкоза]л
или (затравка) или (амилоза)
п ADP глюкоза п ADP
В запасающих крахмал органах растений — клубнях картофеля, созрева-
ющих семенах риса и кукурузы, наиболее активный источник глюкозильных
остатков—АОРглюкоза. По-видимому, фермент связан с мембраной, окружаю-
щей образующееся крахмальное зерно. Синтезированная амилоза дает затем
амилопектин под действием энзима Q (2.4.1.18), который также является транс-
гликозилазой и получен в кристаллическом состоянии из клубней картофеля.
Биосинтез каллозы (см. с. 176) также происходит путем трансгликозили-
рования при участии UDPG как источника глюкозных остатков.
Реакция ферментативного трансгликозилирования позволяет объяснить
известный факт чрезвычайно легкого превращения крахмала и инулина в сахаро-
зу и образование этих сложных полисахаридов из сахарозы.
Известно, что крахмал, накапливающийся в листьях при фотосинтезе, мо-
жет очень быстро превращаться в сахарозу, являющуюся важнейшей транспорт-
ной формой углеводов в растении, в виде которой образовавшиеся при фотосин-
тезе углеводы перетекают из листа в семена, клубни и луковицы, где сахароза
снова превращается в крахмал или инулин. Весьма существенно отметить при
этом, что амилазы не принимают никакого участия в процессе превращения крах-
мала в сахарозу, поскольку мальтоза и декстрины не накапливаются в листьях
и стеблях ассимилирующих растений.
Прекрасным примером взаимопревращений крахмала и сахарозы могут служить
процессы, происходящие в хранящихся картофельных клубнях. При низких температурах—
от 0 до +9°С — в картофельных клубнях происходит снижение содержания крахмала и соот-
Таблица 6
Превращение углеводов в картофеле, хранившемся
две недели при 0°С
Углеводы
Содержание углеводов. % от сухой массы
в исходном картофеле в картофеле, хранив- шемся при 0°С
Крахмал..................
Глюкоза..................
Фруктоза ................
Сахароза.................
Глюкозо-1-фосфат . . . .
Гл юк озо-6-фосфат.......
Фруктозе-6-фосфат . . . .
67,0
0,6
0,2
1,1
0,0
3,5
0,2
61,0
0,8
1,5
6,7
0,2
0,7
2,5
183
ветствующее накопление сахарозы; интересно, что при этом происходит заметное накопление
фруктозо-6-фосфата (табл. 6).
В картофеле в условиях более высокой температуры происходит обратный процесс —
превращение сахарозы, образовавшейся в условиях пониженных температур, в крахмал.
Необходимо отметить, что при вакуум-инфильтрации различных сахаров в листья образова-
ние крахмала происходит наиболее быстро из сахарозы.
Происходящий в растениях столь легко синтез крахмала из сахарозы, по-
видимому, идет следующим путем:
Сахароза 4- UDP UDPG 4- фруктоза и далее
UDPG + затравка (крахмал) -> UDP 4- крахмал.
Превращение сахарозы в высокомолекулярные полисахариды, образующие
при гидролизе глюкозу, происходит у некоторых микроорганизмов с чрезвы-
чайной легкостью. Примером подобного превращения может служить образо-
вание из сахарозы слизистого полисахарида декстрана (см. с. 182), происходя-
щее под влиянием жизнедеятельности бактерии Leuconostoc mesenteroides. Раз-
витие этой бактерии в диффузорах сахарных заводов иногда вызывает значитель-
ные осложнения в работе и большие потери сахара. При этом происходит фермен-
тативное превращение сахарозы в декстран: тсахароза-^-тфруктоза 4-декстран.
Аналогичным образом под действием некоторых бактерий, например сенной
палочки, Bacillus subtilis, вызывающей так называемую тягучую болезнь
хлеба, происходит процесс ферментативного трансфруктозилирования. При
этом из сахарозы образуются глюкоза и леван, дающий при гидролизе фруктозу:
т сахароза т глюкоза 4- леван.
Реакции образования из сахарозы декстрана и левана могут быть осуществ-
лены с помощью бесклеточных ферментных препаратов, полученных из соот-
ветствующих микроорганизмов.
Вопрос о наличии в высших растениях аналогичных ферментов, катализи-
рующих превращения сахарозы в различные полиглюкозиды и полифруктозиды,
интересен в связи с тем, что у некоторых растений, как, например, у злаков и ли-
лейных, роль транспортных углеводов, в виде которых происходит их отток из
листа, наряду с сахарозой играют также левулёзаны. Так, например, у злаков,
в частности у ржи, углеводы, образовавшиеся в листьях при фотосинтезе, пре-
вращаются в левулёзаны различной молекулярной массы, в виде которых они
поступают затем в стебель и созревающий колос. Содержание левулёзанов в ржа-
ном зерне на ранних фазах его формирования может достигать 32% от сухого
вещества. Содержание крахмала на этих фазах весьма незначительно — всего
лишь около 9%.
Таблица 7
Превращение углеводов в созревающем зерне ржи
(по А. Р. Кизелю и В. Л. Кретовичу)
Углеводы Содержание углеводов, % от сухой массы по данным на
25 июня 3 июля 15 июля 28 июля
Моносахариды 6,1 2,1 0,4 2,1
Сахароза 6,0 4,4 3,1 2,8
«Левулёзаны 31,8 12,2 з,о 0,4
Мальтоза 0,0 о,о о,о о,о
Крахмал 9,0 25,9 37,5 41,2
Гемицеллюлозы 5,7 12,<8 16,2 ,17,5
Клетчатка 2,0 2,0 2,0 2,4
187
Мальтоза +
Декстрины
предельные^
декстрины
-----------
а-амилаза
р-амилаза
По мере созревания зерна происходит превращение левулёзанов в крахмал;
к моменту восковой или полной спелости содержание левулёзанов в зерне не
превышает 0,5%. Процесс превращения левулёзанов в крахмал в созревающем
зерне ржи иллюстрируется данными, приведенными в табл. 7.
В связи с важной ролью, которую играют инулин и левулёзаны в обмене ве-
ществ многих растений, заслуживают внимания факты обнаружения в растениях
ферментов, катализирующих взаимные превращения полифруктозидов и сахаро-
зы. Так, в молодых побегах земляной груши найден фермент, который в присут-
ствии фосфатов катализирует превращение сахарозы в полифруктозиды и сво-
бодную глюкозу; из клубней артишока выделены ферментные препараты, ката-
лизирующие перенос остатков фруктозы с инулина на сахарозу и свободную
фруктозу.
Все приведенные выше данные свидетельствуют о чрезвычайной легкости,
с которой происходят взаимные ферментативные превращения глюкозы, фрук-
тозы, сахарозы, крахмала и левулёзанов (включая инулин).
На основании имеющегося в нашем распоряжении экспериментального
материала можно наметить схему взаимных превращений этих углеводов в расте-
ниях. Центральное положение при этом занимают глюкозо-6-фосфат и фрукто-
зо-6-фосфат, образующиеся в процессе фотосинтеза (см с. 188).
Приведенная схема не дает представления о возможных путях образования
пентоз в растении.
Пентозы могут образовываться при декарбоксилировании ИОРуроновых
кислот, чрезвычайно широко распространенных в растительных организмах в
виде различного рода полиуронидов. Имеются экспериментальные данные, сви-
детельствующие о том, что ксилан синтезируется из ксилозы, которая образует-
ся путем окисления глюкозы у шестого углеродного атома и последующего де-
карбоксилирования возникающей таким образом уроновой кислоты.
В опытах, проведенных на растениях пшеницы с помощью изотопной мето-
дики, было показано, что ксилан особенно легко образуется из глюкуроновой
кислоты. Результаты этих опытов подтверждают представление о том, что де-
карбоксилирование галактуроновой и глюкуроновой кислот (или их полимеров)
является важнейшим путем образования арабана и ксилана в растительном ор-
ганизме. Пентозы также могут образовываться путем декарбоксилирования
кислот, образующихся при окислении молекулы гексозы у первого углеродного
атома. Так, при декарбоксилировании фосфоглюконовой кислоты ферментными
препаратами, выделенными из дрожжей, бактерий и высших растений, образу-
ется фосфорный эфир кетопентозы — рибулозы; образовавшийся таким образом
рибулозофосфат под действием рибозофосфат-изомеразы (см. с. 147) дает рибозо-
фосфат. При этом образуется рибозо-5-фосфат, превращающийся под влиянием
фермента фосфорибомутазы в рибозо-1-фосфат. Превращение фосфоглюконовой
кислоты в фосфопентозы можно представить в виде следующей схемы:
СН2О® НС он нАЪ—/ в А Ан 6-фосфоглюконовая кислота (р)осн2 .ОН ; Sx Н Н /• X н\Ь— он он сн2о® СН2О(Р) н с он н с он с/н HCOOH-S°2>. с/н — 1о\ У ||о\'—СН/)Н А Ан & Рибокетозо-5-фосфат (рибулозо-5-фосфат) 0 ©ОСН^О ОН НОСН2 О О(р) н НуС -* SxH 'н\^г н А\—. АХ—</А Ан ОН Ан Ан
Образовавшаяся рибулоза под действием особой изомеразы может превра-
щаться в арабинозу, а специфическая изомераза катализирует превращение
рибулозо-5-фосфата в ксилулозо-5-фосфат. Таким образом, в результате фермен-
тативных превращений фосфоглюконовой кислоты может образоваться ряд пен-
тоз и их фосфорных эфиров.
Рассматривая описанный путь образования пентоз из гексоз, нужно отме-
тить, что если уроновые кислоты чрезвычайно широко распространены в расте-
ниях, то глюкэновая кислота и подобные ей другие кислоты в высших растениях
не накапливаются. Они лишь промежуточные продукты пентозофосфатного пути
окисления гексозофэсфатов (см. с. 222).
Наконец, образование пентоз можно представить как результат синтезирую-
щего действия альдолазы. При взаимодействии фосфодиоксиацетона и фосфо-
глицеринового альдегида, происходящем под влиянием альдолазы, образуется
фруктозодифосфат (см. с. 147). Мейергофом показано, что под действием альдо-
лазы фосфодиоксиацетон может обратимо конденсироваться не только с глице-
риновым альдегидом, но также с целым рядом других альдегидов, найденных
в растениях, причем в результате этой реакции образуются пентозы. Так, напри-
мер, при ферментативной конденсации фосфодиоксиацетона с уксусным альде-
гидом образуется фосфорнокислый эфир 5-дезоксикетопентозы:
альдолаза
СН2ОНСОСН2ОРО3Н2 + сн3сно -> СН3СНОНСНОНСОСН2ОРО3Н2
При аналогичной реакции с гликолевым альдегидом образуется фосфорили-
рованная кетопентоза:
альдолаза
СН2ОНСОСН2ОРО3Н2 + СН2ОНСНО СН2ОНСНОНСНОНСОСН2ОРО3Н2
Таким образом, альдолаза, найденная во всех растениях, может катализи-
ровать биосинтез, как гексоз, так и пентоз.
Несмотря на то что пентозы могут образовываться тремя описаннытлй выше
путями, в настоящее время можно считать установленным, что^уПвысших расте-
ний особенно важен путь, основанный на декарбоксилировайии иОРуроновых
кислот. Так, на примере растений пшеницы, кукурузы и мйтна показано, что ме-
ченные радиоактивным углеродом D-глюкуронэвая кисдота и ее лактон явля-
ются исходными веществами для синтеза пентозанов. При этом процесс образо-
вания пентозанов сопровождается декарбоксилированием глюкуроновой кис-
лоты. /
Уроновые кислоты —исходный материал для синтеза пектиновых веществ;
это ясно показано с помощью изотопной методики. Так, например, меченный
радиоактивным углеродом D-глюкуронолактон в созревающих ягодах клубники
интенсивно включается в состав пектина; энергичное включение радиоактив-
ности D-глюкуроновой и D-галактуроновой кислот в состав пектиновых веществ
наблюдалось также в опытах, проведенных с проростками маша.
Во взаимопревращениях моносахаридов у растений, микроорганизмов и
животных наряду с альдолазой важную роль играют ферменты транскетолаза
(ТК) (2.2.1.1) и трансальдолаза (ТА) (2.2.1.2). Так, например, фосфопентозы,
образующиеся в процессе окислительного превращения глюкозы и фосфоглю-
коновой кислоты, могут подвергаться следующим реакциям:
ТК
Ксилулозо-5-фосфат 4- рибозо-5-фосфат седогептулозо-7-фосфат 4-
4 - глицеринальдегид-3-фосфат
190
и далее:
ТА
Седогептулозо-7-фосфат + глицерина ль дегид-3-фосфат * фруктозо-6-фосфат 4-
+ эритрозо-4-фосфат.
Транскетолаза может катализировать также следующую реакцию:
ТК
Фруктозо-6-фосфат + глицеринальдегидфосфат эритрозо-4-фосфат +
4- ксилулозо-5-фосфат.
Таким образом, благодаря пентозофосфатному пути, альдолазе, транскето-
лазе и трансальдолазе происходят ферментативные взаимопревращения триоз,
тетроз, пентоз, гексоз и гептоз.
Особенно глубокие превращения углеводов происходят при отложении их
в запасных органах, подобных корневищам, клубням, луковицам и семенам, а
также при прорастании, когда за счет веществ, отложенных в этих вместилищах
запасов, происходит формирование тканей развивающегося молодого растения.
Процесс прорастания семян, клубней и луковиц сопровождается глубоким
гидролизом отложенных в них высокомолекулярных полисахаридов, в первую
очередь крахмала и инулина, с образованием растворимых углеводов. Благодаря
резкому возрастанию активности а- и р-амилаз происходит гидролиз крахмала
с образованием декстринов и мальтозы; в клубнях и корнях, содержащих инулин,
под действием инулазы происходит энергичный гидролиз инулина с образованием
фруктозы и продуктов расщепления инулина — инулидов. Содержание крах-
мала в прорастающих семенах фасоли резко убывает:
26 июня — 62,07% крахмала
5 июля — 52,4 » »
8 » — 34,5» »
14 » — 20,2 » »
19 » — 14,6 » »
Уменьшение содержания крахмала сопровождается нарастанием количества
декстринов, мальтозы и моносахаридов.
Именно поэтому мальтоза, содержащаяся в
значительном количестве в прорастающем
зерне, получила названиесолодового саха-
ра. Накопление под действием амилазы зна-
чительных количеств декстринов опреде-
ляет низкие хлебопекарные качества муки,
полученной из проросшего зерна.
При прорастании семян, клубней и лу-
ковиц происходит не только гидролитиче-
ское расщепление крахмала и инулина с
образованием соответствующих раствори-
мых углеводов, но также накопление са-
харозы, происходящее благодаря действию
трансгликозилирующих ферментов.
Прорастание семян сопровождается
также глубоким гидролитическим расщеп-
лением гемицеллюлоз, превращающихся
под действием соответствующих фермен-
тов (гемицеллюлаз) в моносахариды. В те-
чение длительного времени предполагали,
что гемицеллюлозы, содержащиеся в очень
больших количествах в некоторых семенах
Эрнст Шульце
(1840—1912)
191
(например, у бобовых) не участвуют в обмене веществ. Однако исследования
выдающегося швейцарского биохимика Эрнста Шульце показали, что геми-
целлюлозы представляют собой весьма подвижную форму углеводов, мобили-
зуемую при прорастании семян и легко превращающуюся в сахара. Так, при
прорастании семян желтого люпина гидролизуется и используется на дыхание
и для построения тканей ростка около 90% гемицеллюлоз, дающих при гид-
ролизе глюкозу, и около 96% полисахаридов, представляющих собой полиме-
ры галактозы. Ферменты, катализирующие гидролиз гемицеллюлоз, — геми-
целлюлазы найдены в прорастающем зерне, а также у некоторых бактерий и
плесневых грибов.
Участие гемицеллюлоз в углеводном обмене растений показано также при
изучении процессов, происходящих во время созревания зерна. До недавнего
времени предполагали, что в созревающем зерне образование запасных угле-
водов — крахмала и гемицеллюлоз — происходит только за счет притекающих
в зерно из листьев растворимых углеводов — сахаров и левулёзанов (см. табл. 7).
Однако А. М. Палеевым установлено, что при созрёвании ржаного зерна проис-
ходит также неуклонное уменьшение сухого вещества стебля и одновременное
нарастание сухой массы колоса. Аналогичная картина наблюдается также у
листьев, с той лишь разницей, что уменьшение абсолютно сухой массы листа на-
чинается уже со времени колошения. По мере созревания колоса в листе и соло-
ме происходит снижение абсолютного содержания клетчатки, гемицеллюлоз
и лигнина, используемых на построение крахмала и гемицеллюлоз зерна. Этот
процесс Палеев называет раздревеснением. Таким образом, накопление крах-
мала и гемицеллюлоз в созревающем зерне идет не только за счет сахаров, об-
разующихся в листьях при фотосинтезе, но и за счет растворимых углеводов,
образующихся из клетчатки и гемицеллюлоз, которые содержатся в клеточных
стенках листа и соломы.
Аналогичный процесс «перекачки» органических веществ из стеблей и
листьев в клубни происходит на последних стадиях развития картофеля — на-
копление в клубнях крахмала и белка сопровождается уменьшением абсо-
лютного количества органических веществ в ботве.
Возникает вопрос — каковы ферментативные реакции, лежащие в основе
биосинтеза полисахаридов, образующих клеточные стенки растений, — клет-
чатки, хитина, различных гемицеллюлоз, а также пектиновых веществ.
В настоящее время можно считать установленным, что биосинтез этих поли-
сахаридов происходит путем реакций перегликозилирования при участии опре-
деленных нуклеозидфосфатов. Так, в отношении клетчатки с полной определен-
ностью установлено, что синтез ее у хлопчатника, пшеницы и некоторых бакте-
рий идет не через целлобиозу, а непосредственно из глюкозы. Бесклеточные
экстракты, полученные из бактерий Acetobacter xylinum, образующих значи-
тельные количества клетчатки, обладают способностью синтезировать эту послед-
нюю из глюкозы в присутствии АТР. Бесклеточные ферментные препараты, вы-
деленные из Acetobacter xylinum, катализирует синтез клетчатки из уридинди-
фосфатглюкозы в присутствии целлодекстринов — растворимых высокомолеку-
лярных продуктов ферментативного расщепления клетчатки.
Происходящая при этом реакция синтеза клетчатки необратима и идет сле-
дующим образом:
UDPG + (глюкоза)^ -> UDP + (глюкоза)л+1.
Аналогичны^ ферментные препараты выделены также из высших растений,
например из проростков маша, люпина и созревающих коробочек хлопчатника.
Однако у растений источником глюкозных остатков может служить как уридин-
дифосфатглюкоза, так и гуанозиндифосфатглюкоза.
Биосинтез гемицеллюлоз и пектиновых веществ в растениях также осуществ-
192
ляется при участии различных ферментных систем,‘коферментами которых яв-
ляются нуклеозиддифосфаты, в частности уридиндифосфат, а исходным ма-
териалом — D-глюкуроновая и D-галактуроновая кислоты. Образование уро-
новых кислот происходит путем окисления UDP глюкозы или UDP галактозы
и может быть продемонстрировано на примере образования глюкуроновой
кислоты:
Н О—UDP Н О—UDP
---------------------------------
I I
Н— С—ОН н—С—ОН
I +н20 I
НО—С—Н О + 2NAD+ :---> НО—С—Н О + 2NADH + 2Н+
I I
Н—С—ОН н—с—он
I I
н-с------- н-с-------
I I
СН2ОН СООН
Реакция образования глюкуроновой кислоты происходит под действием фер-
мента иВРглюкозодегидрогеназы (1.1.1.22).
Ферментативные превращения, лежащие в основе биосинтеза гемицеллюлоз
и пектиновых веществ, могут быть представлены в виде следующей схемы:
пектин 1-фос})ат-
f a-D-ra-
1-фосфат a-D-глю- UDP-D-глю- UDP-D- лактуро- О-галак-
D-глюкуроно—> куроновой кис- -> куроновая галактуро- новой туроновая
вая кислота лоты кислота новая кислоты кислота
| кислота
UDP-D-ксилоза ^2 UDP-L-арабиноза
гемицеллюлозы
В растениях найдены все ферменты, катализирующие отдельные реакции, по-
казанные на этой схеме, а также уридиндифосфатгалактуроновая кислота. Так,
например, из молодых побегов спаржи и незрелых кочерыжек кукурузы выделен
фермент, катализирующий перенос остатка ксилозы с уридиндифосфатксилозы
на низкомолекулярные олигосахариды, состоящие из ксилозы. D-Глюкуроновая и
D-галактуроновая кислоты могут образовываться также из мио-инозита (см.
с. 289).
Часть карбоксильных групп в остатках галактуроновой кислоты, образую-
щих цепочку молекулы пектина, метоксилирована. Источником метильных групп,
которые под действием особой трансферазы переносятся на полигалактуроновую
кислоту, является S-аденозилметионин. Препарат этой метилтрансферазы вы-
делен из субклеточных структур проростков маша.
Глюкуроновая и галактуроновая кислоты возможно являются в растениях
исходными соединениями для синтеза аскорбиновой кислоты.
Опыты по введению в созревающие ягоды глюкозы, галактозы, глюкуроновой и галак-
туроновой кислот, меченных радиоактивным углеродом 14С, показали, что в растениях,
по-видимому, имеется два независимых пути биосинтеза аскорбиновой кислоты. Один на-
чинается с глюкозы (или галактозы) и идет далее через глюкозо- (или галактозо)фосфат; дру-
гой путь в качестве исходных веществ предполагает глюкуроновую (или галактуроновую)
кислоту. Превращение глюкозофосфата и глюкуроновой кислоты в аскорбиновую кислоту
мы можем представить себе в виде следующей гипотетической схемы:
7-596
193
1
2
3
4
5
6
6 СООН 6 СООН 1
5 1 НО-С-Н 5 НО-С-Н 1
4 1 но-с—н 4 НО-С-Н
3 1 Н-С-ОН —> 3 1 Н-С-ОН 1
2 1 НО-С-Н 2 1 с=о 1
1 1 сно 1 СН2ОН
D- Глюкуроновая кислота D-Фруктуроновая кислота
1 +2Н+
1 соон
2 НО-С—Н
I
3 НО—С—н
I
4 Н-С—ОН
I
5 НО-С-Н
I
6 СН2ОН
L-Гулоновая
кислота
—2Н+ СООН - 1 но—с—н с=о 1
Н-С—он 1 с=о 1 СН2ОН_
соон ““
I
но-с
II
но—с
I
Н-С—он
I
с=о
I
СН2ОН_
+2Н+
I
НО—С 2
II О
НО—С | 3
Н—С-----1 4
I
НО-С-Н 5
I
СН2ОН 6
L-Аскорбиновая
кислота
сно
Н—С—он
I
НО-С-Н — 2Н+
Н-С-ОН
I
н—с—он
I
СН2ОРО3Н2
D-Глюкозо-б-фосфат
соон
I
н—с—он
I
НО—С—Н - 4Н+
I ------
н—с—он
I
Н-С-ОН
I
СН2ОРО3Н2
6- Фосфат-D- глюконовой
И+Н2О
II - Н3РО4
СООН -
I
Н—С—он
I
с=о
I
Н-С—он
I
с=о
I
СН2ОРО3Н2__
кислоты
о
Синтез хитина у плесневого гриба Neurospora crassa также происходит путем
реакции ферментативного перегликозилирования. Из мицелия этого гриба выде-
лен ферментный препарат, катализирующий синтез хитина из уридиндифосфат-
N - а цети л глюкозам ина.
Биосинтез маннана, входящего в состав клеточных стенок дрожжей и некото-
рых плесневых грибов, происходит при участии другого нуклеозиддифосфата —
гуанозиндифосфатманнозы, которая является источником остатков маннозы, по-
требляемых на синтез молекулы маннана. Гуанозиндифосфатманноза найдена
в пекарских дрожжах, плесневых грибах и в грибе Eremothecium ashbyii.
Таким образом, биосинтез различных олигосахаридов и полисахаридов —
сахарозы, трегалозы, рафинозы, крахмала, маннана, хитина, декстрана, леву-
лёзанов, гемицеллюлоз, пектина и клетчатки — происходит благодаря фермен-
тативным реакциям трансгликозилирования, при этом роль коферментов и источ-
ников остатков того или иного сахара играют различные нуклеозиддифосфат-
сахара.
Рассматривая основные закономерности, лежащие в основе превращений
углеводов в растениях, необходимо отметить, что у некоторых растений роль
моносахаридов играют сорбит, дульцит или маннит, роль тростникового саха-
194
pa — дисахарид трегалоза и роль крахмала —
гликоген. Так, например, дульцит в больших
количествах накапливается в листьях гуттапер-
ченосного кустарника бересклета; содержание в
них дульцита бывает настолько велико, что ино-
гда он выступает на поверхности листьев в виде
твердых выделений. Сорбит играет важную роль
в углеводном обмене некоторых плодов и ягод,
например груш и слив, в которых он имеется в
значительных количествах.
Маннит содержится в больших количествах
в созревающих плодах маслины; он исчезает по
мере созревания и накопления масла. Очень
много маннита накапливается в заразихе, пара-
зитирующей на корнях подсолнечника, а также
в некоторых бурых водорослях, из которых его
можно получать в промышленном масштабе.
Особенно высоким содержанием маннита отли-
чаются грибы. Так, например, в шампиньоне со-
вершенно не содержатся моносахариды, и раст-
Время, ч
Рис. 60. Изменение содержания
трегалозы в дрожжах при суш-
ке.
Пунктирная линия — важность, сплош-
ная линия — содержжие трегалозы
воримые углеводы представлены исключитель-
но маннитом и трегалозой. При медленном подсыхании грибов происходит
превращение трегалозы в маннит.
У грибов, высших растений и видимо у бурых водорослей имеется фермент
маннитолдегидрогеназа (1.1.1.138), который катализирует реакцию взаимопре-
вращения фруктозы и маннита:
Фруктоза -р NADPH + Н+ у-* маннит + NADP+.
Главный запасной углевод грибов — гликоген. Особенно велико его содер-
жание в дрожжах — иногда до 40% при расчете на сухое вещество. Гликоген
чрезвычайно легко подвергается различным превращениям; так, например, при
высушивании дрожжей содержание его снижается и одновременно накаплива-
ется трегалоза.
Нарастание содержания трегалозы, происходящее в процессе сушки дрож-
жей Saccharomyces cerevisiae, показано на рис. 60.
В плодовых телах шампиньона, особенно в условиях анаэробиоза, гликоген
легко превращается в маннит.
Процесс взаимопревращения трегалозы и гликогена у грибов, так же как
и процесс взаимопревращения крахмала и сахарозы у высших растений, проис-
ходит путем ферментативного трансгликозилирования.
ЛИТЕРАТУРА
Кизель А. Р. и Кретович В. Л. Фруктоза и фруктозиды в обмене растения. — В сб.:
Биохимия и микробиология пшеницы. — Труды Всес. научн.-исслед. ин-та зерна и продук-
тов его переработки. М. , 1934, вып. 13, с. 56.
Курсанов А. Л. Синтез и накопление сахарозы у сахарной свеклы.— «Ботан. ж. »,
1954, т. 39, № 4, с. 482.
Курсанов А. Л. и Дьячков Н.Н. Лишайники и их практическое использование. М., 1945.
Опарин А. И. Значение инвертазы корня в процессе сахаронакопления у различных
сортов свеклы. — Биохимия, 1937, т. 2, вып. 2, с. 135.
Сапожникова Е. В. Пектиновые вещества и пектолитические ферменты. — Итоги
науки. Серия «Биологическая химия», М., 1971, т. 5.
Степаненко Б. Н. Химия и биохимия углеводов (моносахариды). М., 1977.
Степаненко Б. Н. Химия и биохимия углеводов (полисахариды). М., 1978.
7*
195
Advances in Carbohydrate Chemistry and Biochemistry. Vol. 1—36. New York, Acad.
Press Inc., 1945—1979.
Albersheim P. The Walls of Growing Plant Cells. «Scientific American», 232, 80, 1975.
Hassid W. Z. Biosynthesis of Oligosaccharides and Polysaccharides in Plants. «Science»,
165, 137, 1969.
Haug A. Chemistry and Biochemistry of Algal Cell-Wall Polysaccharides. Biochemistry,
Series One, Volume 11, Plant Biochemistry. Edited by D. H. Northcote. Butterworth, London,
1974.
Leloir L. F. Nucleoside Diphosphate Sugars and Saccharide Synthesis. «Biochem. J.»,
91, 1, 1964.
Loewus F. A. Carbohydrate Interconversions. «Annual Rev. Plant Physiol.», 22, 337, 1971.
Loewus F. A. Tracer Studies on Ascorbic Acid Formation in Plants [«Phytochemistry», 2,
109, 1963.
Rees ар T. Pathways of Carbohydrate Breakdown in Higher Plants. Biochemistry, Series
One, Volume 11, Plant Biochemistry. Edited by D. H. Northcote. London, Butterworth, 1974.
Schlubach H. Ober Kohlenhydratstoffwechsel der Getrei dear ten. «Experientia», 9,
№ 6, 230, 1963.
Stacey M. a. Barker S. Polysaccharides of Micro-Organisms. Oxford University Press,
1960.
Turner J. F. a. Turner D. H. The Regulation of Carbohydrate Metabolism. «Annual Rev.
Plant Physiol., 26, 159, 1975.
Vystrcil A. Rostlinne glykosidy. N. С. A. V., Praha, 1955.
Глава VI
БРОЖЕНИЕ И ДЫХАНИЕ
Для осущестрления процессов, совокупность которых составляет обмен
веществ, а следовательно, для поддержания жизни каждый организм нуждается
в постоянном и непрерывном притоке энергии. Источником этой энергии явля-
ется процесс диссимиляции, процесс преобразования и распада веществ в орга-
низме.
У многих микроорганизмов источником энергии, необходимой для поддер-
жания обмена веществ и жизни, является окисление того или иного неорганиче-
ского вещества. У железобактерий —это окисление соединений железа, у дру-
гих микробов —это окисление соединений марганца, у различных серобакте-
рий — это окисление сероводорода и других соединений серы, у водородных бак-
терий — окисление водорода, у нитрификаторов —окисление аммиака в азо-
тистую кислоту и этой последней — в азотную кислоту. Все эти микроорганиз-
мы используют энергию, освобождающуюся при окислении данного неорганиче-
ского соединения, прежде всего для осуществления реакций, лежащих в основе
ассимиляции углекислоты и синтеза органического вещества, т. е. для осуществ-
ления процесса хемосинтеза. Все остальные организмы для поддержания своей
жизни используют ту энергию, которая освобождается во время диссимиляции
органических веществ, в первую очередь сахара, образовавшегося в процессе
фотосинтеза и являющегося, по образному выражению Тимирязева, как бы «кон-
сервом» энергии солнечных лучей. Диссимиляция сахара в организме происходит
либо анаэробно, т. е. путем брожения, либо аэробным путем, т. е. благодаря
процессу дыхания.
Диссимиляция органического вещества в процессе дыхания или брожения
является не только источником энергии для данного организма, но также источ-
ником различных соединений, образующихся в качестве промежуточных продук-
тов брожения или дыхания и используемых организмом для многочисленных
синтетических реакций.
Поскольку свободный кислород, имеющийся на нашей планете, образовался
в результате процесса фотосинтеза, возникшего на более поздних этапах развития
жизни на Земле, совершенно очевидно, что анаэробная диссимиляция углеводов,
197
т. е. процесс брожения, является бо-
лее древним типом диссимиляции, чем
процесс дыхания. На это указывает
также то, что по сравнению с дыхани-
ем брожение — процесс, энергетиче-
ски значительно менее выгодный, по-
скольку для получения одного и то-
го же количества энергии при бро-
жении расходуется значительно боль-
ше сахара, чем при дыхании.
БРОЖЕНИЕ
Практически наиболее важным
процессом брожения является спир-
товое брожение, лежащее в основе
целого ряда пищевых производств —
виноделия, пивоварения, изготовле-
ния спирта. Спиртовое брожение осу-
ществляется благодаря жизнедеятель-
ности ряда микроорганизмов. Наибо-
лее типичными организмами спирто-
вого брожения являются дрожжи.
Среди них наибольшее значение име-
ют истинные дрожжи —организмы, принадлежащие к роду Saccharomyces.
К числу организмов, вызывающих при определенных условиях спиртовое бро-
жение, принадлежат и так называемые дрожжеподобные организмы — Monilia,
Oidium, а также некоторые из плесневых грибов, например Мисог. Вопрос о при-
роде брожения в свое время был предметом ожесточенных споров, затрагивав-
ших основные философские проблемы биологии. Этот вопрос был окончательно
решен в пользу материалистической точки зрения в 1897 г. Э. Бухнером. Боль-
шую роль в развитии исследований, посвященных выяснению сущности спирто-
вого брожения, сыграл простой и удобный метод получения бесклеточных фер-
ментных экстрактов из дрожжей, предложенный одним из выдающихся русских
биохимиков — профессором Московского университета А. Н. Лебедевым.
Как это впервые было установлено Гей-Люссаком, суммарно спиртовое
брожение может быть выражено следующим уравнением:
С6Н12О6 = 2СО2 + 2С2Н5ОН
Гексоза Углекис- Этиловый
лый газ спирт
При этом должно было бы выделиться количество энергии, соответствующее 56
килокалориям тепла на одну грамм-молекулу сброженной гексозы (стандарт-
ное изменение свободной энергии).
Приведенное суммарное уравнение спиртового брожения не отражает того
факта, что обычно кроме главных продуктов брожения —этилового спирта и
углекислого газа образуются также некоторые другие вещества. Например, при
спиртовом брожении в незначительном количестве всегда образуются янтарная
кислота и так называемые сивушные масла —смесь амилового, изоамилового,
бутилового и других спиртов; в ничтожных количествах образуются также ук-
сусный альдегид, глицерин и некоторые пока еще недостаточно изученные соеди-
нения, от наличия ничтожных количеств которых зависит специфический аромат
вина, пива и других спиртных напитков.
198
Разные сахара сбраживаются с различной скоростью. Наиболее легко подвер-
гаются сбраживанию глюкоза и фруктоза, медленнее —манноза и еще медлен-
нее — галактоза; пентозы дрожжами не сбраживаются; они могут сбраживаться
лишь некоторыми плесневыми грибами из рода Fusarium. Из дисахаридов хо-
рошим субстратом спиртового брожения являются сахароза и мальтоза. Однако
оба эти сахара сбраживаются лишь после предварительного гидролиза на состав-
ляющие их моносахариды. Лактоза сбраживается лишь некоторыми особыми
видами дрожжей, так называемыми лактозными дрожжами, обладающими 0-
галактозидазой и способными поэтому гидролизовать лактозу на глюкозу и га-
лактозу. Дрожжи сбраживают весьма высокие концентрации сахара, достигаю-
щие 60%. Они выносят также значительные концентрации спирта, достигающие
10—14%; при этом необходимо отметить, что дрожжи более чувствительны к
спирту при высоких концентрациях сахара и при повышенных температурах.
В присутствии кислорода спиртовое брожение прекращается и дрожжи
получают энергию, необходимую для их развития и жизнедеятельности, путем
кислородного дыхания. При этом дрожжи тратят сахар значительно экономнее,
чем в анаэробных условиях. Прекращение брожения под влиянием кислорода
получило название «эффекта Пастёра».
При молочнокислом брожении из одной молекулы гексозы образуются две
молекулы молочной кислоты:
С6Н12О6 = 2СН3-СНОН-СООН
При молочнокислом брожении на каждую грамм-молекулу сброженной
гексозы должна была бы выделиться энергия, соответствующая 52 килокало-
риям тепла (стандартное изменение свободной энергии).
Молочнокислое брожение играет очень большую роль при производстве
молочнокислых продуктов (простокваши, ацидофилина, кефира, кумыса), при
изготовлении кваса, хлебных заквасок и «жидких дрожжей» для хлебопечения,
при квашении капусты, огурцов, при силосовании кормов.
Все микроорганизмы, вызывающие молочнокислое брожение, разделяются
на две большие группы. К первой группе принадлежат микроорганизмы, подоб-
ные Streptococcus lactis, являющиеся настоящими анаэробами и сбраживающие
гексозы в точном соответствии с вышеприведенным суммарным уравнением мо-
лочнокислого брожения. Эти микроорганизмы получили название гомофермента-
тивных молочнокислых бактерий. Ко второй группе гетероферментативных молоч-
нокислых бактерий принадлежат микроорганизмы, которые кроме молочной кис-
лоты образуют значительные количества других продуктов, в частности уксусной
кислоты и этилового спирта. Характерным представителем второй группы мо-
лочнокислых бактерий является микроб Bacterium lactis aerogenes, образующий
молочную кислоту, уксусную кислоту, этиловый спирт, углекислый газ, водород
и метан. Выход уксусной кислоты при сбраживании сахаров подобными микро-
бами может превышать выход молочной кислоты.
Заметное содержание молочной и уксусной кислот в ржаном тесте и ржаном
хлебе объясняется тем, что при брожении ржаного теста наряду со спиртовым
брожением происходит также молочнокислое брожение, при котором накапли-
ваются как молочная, так и уксусная кислоты.
Одновременное протекание в ржаном тесте процессов спиртового и молочно-
кислого брожения объясняется присутствием в закваске как дрожжей, вызы-
вающих спиртовое брожение, так и молочнокислых бактерий, вызывающих
молочнокислое брожение. Подобного рода совместное существование дрожжей
и молочнокислых бактерий, оказывающих друг на друга благотворное влияние,
наблюдается в целом ряде пищевых продуктов и полуфабрикатов —в хлебном
квасе, кумысе, жидких хлебопекарных дрожжах, различных молочнокислых
продуктах —айране, кавказском «мацони». Особенно хорошим примером по-
199
добиого рода сожительства (симбиоза) дрожжей и молочнокислых бактерий яв-
ляются кефир и так называемые «кефирные зерна»,применяемые в качестве за-
кваски при изготовлении кефира. В настоящее время молочная кислота широко
применяется в пищевой, текстильной и кожевенной промышленности. Поэтому
вопрос о наиболее совершенных промышленных схемах производства молочной
кислоты имеет большое практическое значение. Особенно большие количества
молочной кислоты образуются при сбраживании сахара некоторыми термофиль-
ными молочнокислыми микробами, подобными широко применяемому в пище-
вой промышленности Termobacterium cereale (по старой номенклатуре Bacterium
Delbrilckii).
Интересно, что одни молочнокислые микробы образуют оптически недеятель-
ную молочную кислоту, другие—D-форму и третьи—L-форму. Более того,
один и тот же микроб при культивировании его на разных питательных средах
образует различные формы молочной кислоты. Так, например, молочнокислая
бактерия Lactobacillus casei при развитии на моносахаридах и лактозе образует
правовращающую молочную кислоту, а при развитии на сахарозе и мальтозе —
оптически недеятельную DL-форму.
Третьим важнейшим видом брожений является маслянокислое брожение.
Большинство микроорганизмов, вызывающих маслянокислое брожение, явля-
ются анаэробами. Некоторые из них принадлежат к группе облигатных анаэро-
бов, т. е. таких организмов, которые могут жить только лишь в отсутствие кис-
лорода и для которых последний является ядом.
Суммарное уравнение маслянокислого брожения имеет следующий вид:
С6Н12О6 = СН3—СН2—СН2—СООН + 2СО2 + 2Н2
Однако если заметные количества побочных продуктов брожения могут
образовываться при спиртовом и молочнокислом брожениях, то при масляно-
кислом брожении количество этих побочных продуктов особенно велико. Наряду
с масляной кислотой, углекислым газом и водородом при маслянокислом броже-
нии образуются этиловый спирт, а также молочная и уксусная кислоты.
Маслянокислое брожение в природных условиях происходит в гигантских
масштабах на дне болот, в заболоченных почвах, в различного рода илах и всех
тех местах, куда ограничен доступ кислорода и где благодаря деятельности мас-
лянокислых бактерий разлагаются огромные количества органического ве-
щества.
Гомоферментативное молочнокислое, спиртовое и маслянокислое брожения
являются основными типами брожений. Все другие виды брожений представляют
собой комбинацию трех основных типов. Например, гетероферментативное мо-
лочнокислое брожение, а также пропионовокислое брожение, играющее важную
роль при производстве сыров и сопровождающееся накоплением пропионовой
кислоты, уксусной кислоты и углекислого газа, могут рассматриваться как
комбинация гомоферментативного молочнокислого и спиртового брожений. Точ-
но так же ацетоноэтиловое брожение является комбинацией спиртового и масля-
нокислого брожений. Брожение клетчатки и брожение пектиновых веществ —
разновидности маслянокислого брожения.
Три главных типа брожения органически связаны между собой. Об этом
свидетельствуют многочисленные экспериментальные данные, полученные при
исследовании промежуточных продуктов брожений. Более того, эти данные пока-
зывают, что брожения находятся в самой тесной органической связи с нормаль-
ным кислородным дыханием.
Глубокая и тесная взаимосвязь процессов брожения и дыхания будет
подробно рассмотрена нами далее, в разделе, посвященном химизму брожения
и дыхания (см. с. 206).
200
ДЫХАНИЕ РАСТИТЕЛЬНЫХ ОРГАНИЗМОВ
Важнейшим источником энергии у высших растений и микроорганизмов
является процесс дыхания. Процесс дыхания, как и процесс брожения, не только
источник энергии, используемой для осуществления разнообразных синтетиче-
ских реакций, а также процессов роста, транспорта веществ и движения, но и ис-
точник многочисленных метаболитов, которые образуются в качестве промежу-
точных продуктов дыхания и вместе с тем служат исходным материалом для
осуществления синтетических реакций.
Баланс происходящих при аэробном дыхании химических превращений мо-
жет быть выражен равенством
CeHigOg 4- 6О2 = 6Н2О 4" 6СО2
Полное окисление в процессе дыхания одной грамм-молекулы гексозы должно
было бы сопровождаться выделением энергии (стандартным изменением свобод-
ной энергии), соответствующим 686 большим калориям.
Приведенное уравнение аэробного дыхания характеризует лишь баланс ве-
ществ при дыхании. Оно не дает никакого представления о тех многочисленных
промежуточных ферментативных реакциях, которые разыгрываются в процессе
дыхания. Известные указания о характере этих реакций могут быть получены
путем изучения происходящего при дыхании газообмена. Если процесс аэробно-
го дыхания данного растительного организма происходит в точном соответствии
с приведенным выше уравнением, то отношение объемов выделяемого углекисло-
го газа и поглощаемого кислорода, называемое дыхательным коэффициентом,
СО2/О2, равняется 1. Однако очень часто дыхательный коэффициент может замет-
но отклоняться от этой величины. Например, если одновременно с аэробным
дыханием происходят какие-либо процессы, сопровождающиеся потреблением до-
полнительных количеств кислорода, то дыхательный коэффициент будет мень-
ше 1. Такие случаи имеют место, например, при созревании плодов, когда зна-
чительное количество кислорода потребляется на образование накапливающихся
в плодах органических кислот. Дыхательные коэффициенты значительно мень-
шие, чем 1, наблюдаются также у прорастающих масличных семян. Это происхо-
дит вследствие того, что процесс прорастания таких семян сопровождается окис-
лением весьма бедных кислородом жирных кислот и превращением жира в сахар,
происходящим с потреблением значительного количества кислорода. При созре-
вании масличных семян, когда происходит обратный процесс образования жира
из углеводов, дыхательный коэффициент превышает 1, так как часть потреб-
ляемого на дыхание, кислорода заимствуется из углеводов.
Высокие дыхательные коэффициенты наблюдаются также в тех случаях, ког-
да данный растительный организм выделяет значительное количество углекис-
лого газа, поглощая вместе с тем немного кислорода. Такую картину мы можем
наблюдать на ранних этапах прорастания некоторых семян, плотная оболочка
которых недостаточно проницаема для кислорода. В таких семенах наряду с аэ-
робным дыханием происходит также процесс спиртового брожения, который пре-
кращается лишь после того, как развивающийся корешок прорывает оболочку.
Высокие дыхательные коэффициенты наблюдаются также при дыхании дрожжей,
у которых одновременно с кислородным дыханием происходит спиртовое броже-
ние. Дыхательные коэффициенты, значительно превышающие единицу, наблю-
даются при дыхании за счет соединений, более богатых кислородом, чем сахар
(например, за счет некоторых органических кислот —щавелевой, винной и др.).
Приведенное выше уравнение аэробного дыхания растений показывает,
что дыхание сопровождается следующими явлениями:
1) уменьшением массы растительного организма, происходящим вследствие
расходования гексоз;
201
2) изменением состава окружающей растение атмосферы, происходящим
вследствие поглощения кислорода и выделения углекислого газа;
3) выделением влаги;
4) выделением тепла.
Уменьшение сухой массы растительных организмов, происходящее вслед-
ствие дыхания, может достигать больших величин. Оно особенно велико у таких
продуктов растительного происхождения, как прорастающее зерно и храня-
щиеся овощи.
Происходящее в результате дыхания изменение состава воздуха может быть
в некоторых случаях весьма значительным. Так, в элеваторах с хранящимся зер-
ном содержание углекислого газа в межзерновом пространстве может достигать
13% (вместо обычных 0,03%), а содержание кислорода соответственно может
понижаться почти до нуля. Точно так же значительные изменения состава воз-
духа происходят в массе хранящихся овощей — в кагатах сахарной свеклы, бур-
тах картофеля и т. д.
Вызываемое дыханием растительных тканей выделение влаги и тепла может
быть причиной дальнейшего усиления процесса дыхания. Это будет происходить
в том случае, если масса хранящегося сырья не будет достаточно хорошо провет-
риваться для удаления накапливающихся в ней водяных паров и понижения ее
температуры.
Тепло, выделяемое в результате дыхания прорастающего зерна, является
причиной быстрого и значительного повышения температуры в ворохах солода.
Для поддержания в массе прорастающего солода необходимой температуры, обе-
спечивающей правильный режим солодоращения, солод подвергают перелопачи-
ванию, продуванию холодным воздухом или же ворошению, как это имеет место
в барабанных солодовнях. Значительное количество тепла выделяют хранящие-
ся плоды и овощи. Так, например, яблоки и груши образуют за одни сутки на
тонну плодов от 247 до 401 ккал.
Интенсивность дыхания того или иного объекта учитывают на основе коли-
чественного определения выделяемого углекислого газа или поглощаемого кис-
лорода. Различные продукты растительного происхождения, а также ткани ра-
стений резко различаются по интенсивности дыхания. Наиболее слабым дыха-
нием обладают сухие семена, более интенсивно дышат листья, а также сочные
плоды и овощи. Наибольшую интенсивность дыхания обнаруживают микроорга-
низмы, особенно плесневые грибы.
Плесневые грибы обладают по сравнению с другими растительными объек-
тами колоссальной интенсивностью дыхания. Именно поэтому интенсивность
дыхания какой-либо хранящейся растительной массы (например, зерна, табака
и т. п.) и выделение ею углекислого газа резко воз-
Рис. 61. Зависимость ин-
тенсивности дыхания семян
проса от влажности
растают, если начинается плесневение.
Особенно энергичным дыханием отличаются мо-
лодые, растущие ткани растений. Установлено, что
имеется чрезвычайно тесная связь между ростом рас-
тительных тканей и их дыханием: чем интенсивнее
при прочих равных условиях растет данная ткань,
тем энергичнее она дышит, и наоборот.
Интенсивность дыхания растений и отдельных
растительных тканей или органов зависит от ряда
факторов. Одним из важнейших среди них является
содержание влаги в данном объекте. Так, например,
сухое зерно обладает ничтожной интенсивностью
дыхания, но если это зерно увлажнить, то интенсив-
ность его дыхания резко возрастет. Это ясно пока-
зано на рис. 61, на котором показана зависимость
202
интенсивности дыхания семян проса от содержания в них влаги (по данным-
В. Л. Кретовича). Зерно с влажностью 14—15,5% дышит в 2—4 раза интен-
сивнее, чем сухое зерно, имеющее влажность, меньшую чем 14%; сырое зер-
но (с влажностью, превышающей 17%) дышит в 20 —30 раз энергичнее су-
хого. Именно поэтому сухое зерно так хорошо хранится и не подвергается само-
согреванию, в то время как зерно влажное, обнаруживающее чрезвычайно боль-
шую интенсивность дыхания, может очень быстро согреться и испортиться. Зер-
но пшеницы, ржи, а также семена бобовых культур (за исключением сои) начи-
нают резко повышать интенсивность дыхания после того, как влажность семян
превысит 14—15%.
Масличные культуры резко отличаются от всех зерновых культур в том от-
ношении, что их семена начинают весьма интенсивно дышать уже при влажности,
превышающей 8—9%. Это объясняется очень высоким содержанием жира в мас-
личных семенах. Как известно, жиры являются гидрофобными веществами и
поэтому не связывают воду. Если пересчитать содержание влаги в семенах мас-
личных культур на так называемую «гелевую» часть, т. е. на сухое вещество се-
мян за вычетом жира, то влажность этой «гелевой» части будет равна той же ве-
личине, при которой начинается резкое возрастание интенсивности дыхания у
бедных жиром семян, ,т. е. 14—15%.
Влажность семян, превышение которой приводит к резкому увеличению ин-
тенсивности дыхания, а следовательно, к самосогреванию и порче хранящихся
семян, получила название «критической» влажности. Повышение интенсивности
дыхания семян при увеличении влажности выше критической объясняется тем,
что при влажности до 14—15 % вода содержится в зерне в виде так называемой
связанной воды. Как мы уже указывали ранее, связанная вода настолько прочно
соединена с биополимерами, в первую очередь с белками, что не может играть
роль растворителя и той среды, которая необходима для осуществления всех
биохимических реакций в живом организме. При увеличении влажности выше
14—15% (или у масличных семян выше 8—9%) в семенах начинает появляться
свободная вода, благодаря чему резко увеличивается скорость биохимических
превращений, а следовательно, и скорость дыхания.
Вторым важнейшим фактором, определяющим интенсивность дыхания ра-
стений и растительных тканей, является температура. При повышении темпе-
ратуры интенсивность дыхания возрастает. В определенном интервале темпера-
тур возрастание интенсивности дыхания растений подчиняется правилу Вант-
Гоффа: «температурный коэффициент» химических реакций, т. е. коэффициент,
показывающий, во сколько раз увеличивается скорость данной реакции при по-
вышении температуры на 10°С, равен 2—3. Так, например, в интервале темпе-
ратур от 12,5 до 32°С температурный коэффициент дыхания плодов равен 2,2.
Близкие величины температурных коэффициентов наблюдаются также при дыха-
нии зерна.
Правило Вант-Гоффа применимо к процессу дыхания растения или какой-
либо растительной ткани лишь в определенном интервале температур. Дальней-
шее повышение температуры приводит к нарушению нормального строения и
функционирования протоплазмы, к коагуляции белков, инактивированию фер-
ментов и в конечном счете к отмиранию данного организма или ткани. По мере
возрастания температуры интенсивность дыхания также увеличивается, дости-
гает определенной максимальной величины, характерной для данного организма
или ткани, и затем начинает падать. На рис. 62 показано (по данным В. Л. Кре-
товича и А. П. Прохоровой) влияние различных температур на интенсивность
дыхания пшеничного зерна разной влажности, а также показано, что наиболее
энергичное дыхание наблюдается при 50—55°С. Дальнейшее повышение темпе-
ратуры приводит к резкому понижению интенсивности дыхания зерна и его
отмиранию.
203
Рис. 62. Влияние температуры
на интенсивность дыхания пше-
ничного зерна с влажностью 14%
(/), 16% (2), 18% (5) и 22% (4)
Температура, при которой наблюдается на-
ибольшая интенсивность дыхания зерна, харак-
терна лишь для небольших сроков пребывания
зерна при данной температуре порядка несколь-
ких часов. Если зерно оставить при этой опти-
мальной температуре (50—55°С) на более дли-
тельный срок, то оно начинает отмирать под
действием этой повышенной температуры, в ре-
зультате чего понижаются активность дыхатель-
ных ферментов и интенсивность дыхания. Это
( понижение происходит тем быстрее, чем выше
' влажность зерна. Таким образом, оптимальная
температура, при которой зерно дышит наиболее
энергично, — величина непостоянная, завися-
щая от других условий внешней среды.
Кроме влажности и температуры существен-
ное влияние на интенсивность дыхания расте-
ний и растительных тканей оказывает доступ к
ним воздуха, аэрация,.а также содержание в
воздухе углекислого газа и кислорода. Усилен-
ное вентилирование хранящейся зерновой массы заметно повышает интенсивность
ее дыхания. Интенсивность дыхания различных плодов сильно уменьшается при
повышении содержания в воздухе углекислого газа; такое же влияние оказывают
при длительном воздействии повышенные концентрации углекислого газа на
интенсивность дыхания влажного зерна. Углекислый газ не только тормозит
дыхание различных растительных тканей, но оказывает на них ядовитое дейст-
вие. Так, при длительном нахождении зерна в воздухе, содержащем повышенные
концентрации углекислого газа, зерно постепенно теряет свою жизнеспособ-
ность и всхожесть. Именно поэтому хранящееся семенное зерно должно подвер-
гаться систематическому проветриванию.
Интенсивность дыхания растительных тканей понижается не только вслед-
ствие увеличения содержания в воздухе углекислого газа, но также вследствие
уменьшения концентрации кислорода. Наименьшая концентрация кислорода
в воздухе, обеспечивающая нормальную величину дыхания, различна для раз-
ных растительных тканей. Так, например, для картофеля изменение содержания
кислорода в воздухе от 100 до 6% не сказывается на интенсивности дыхания;
лишь дальнейшее снижение содержания кислорода в воздухе приводит к умень-
шению интенсивности дыхания клубней. У моркови понижение интенсивности
дыхания начинает наблюдаться лишь после того, как содержание кислорода в
воздухе становится меньше, чем 3,5%.
Повышение концентрации углекислого газа и понижение концентрации кис-
лорода в воздухе вызывает уменьшение интенсивности дыхания растений и из-
меняет характер дыхания; в растительной клетке или ткани вместо обычного
кислородного (аэробного) дыхания начинается процесс анаэробного (интрамо-
лекулярного) дыхания, являющийся, по существу, процессом брожения.
АНАЭРОБНОЕ (ИНТРАМОЛЕКУЛЯРНОЕ) ДЫХАНИЕ РАСТЕНИЙ (БРОЖЕНИЕ)
Анаэробное дыхание растений было открыто Пастёром и особенно глубоко
исследовано академиком С. П. Костычевым, польским физиологом Э. Годлев-
ским и английским ученым Ф. Блекменом. Оно обычно протекает в соответствии
с суммарным уравнением спиртового брожения:
С6Н12О6 = 2С2Н5ОН + 2СО2
204
В сущности, анаэробное дыхание представ-
ляет собой процесс брожения. Количество энер-
гии (стандартное изменение свободной энергии),
которое должно было бы выделиться при бро-
жении, составляет всего лишь 56 ккал на одну
грамм-молекулу израсходованной гексозы. Та-
ким образом, для обеспечения себя необходимым
количеством энергии растение при брожении
должно израсходовать гораздо большее коли-
чество гексоз, чем при аэробном дыхании. Дос-
туп кислорода, обеспечивающий более эффек-
тивное в энергетическом отношении аэробное ды-
хание, предохраняет растение от излишних трат
органического вещества, характерных для про-
цесса брожения.
Действие кислорода, уменьшающего расхо-
Рис. 63. Расходование органиче-
ского вещества (в виде СО2 и
спирта) при аэробном и анаэроб-
ном дыхании яблок:
/ — в азоте, 2 — в воздухе
дование углеводов на дыхание и угнетающего брожение и образование продук-
тов анаэробного обмена, получило название эффекта Пастёра.
Эффект Пастёра может быть показан на примере проростков и некоторых
плодов. На рис. 63 изображен график расходования углерода, происходящего
при дыхании яблок в воздухе и в атмосфере азота, т. е. в анаэробных условиях.
Совершенно очевидно, что при брожении расходуется большее количество орга-
нического вещества, чем при достаточном доступе кислорода.
Изменение характера дыхания при повышении концентрации углекислого
газа в воздухе или же при понижении концентрации кислорода и переход к ана-
эробному типу дыхания проявляются прежде всего в изменении дыхательного
газообмена и в возрастании дыхательного коэффициента.
Различные растительные организмы отличаются друг от друга по своей
способности к брожению и аэробному дыханию.
В. Руляндом с сотрудниками было показано, что некоторые ткани растений,
как, например, зародышевая ткань семян, даже при вполне достаточном доступе
кислорода обнаруживают высокие дыхательные коэффициенты; это свидетельст-
вует о том, что в этих тканях наряду с аэробным дыханием протекают также
какие-то анаэробные процессы. Некоторые исследователи называют подобного
рода дыхание, когда при полной обеспеченности кислородом все же процесс име-
ет частично анаэробный характер, аэробным брожением.
Брожение наблюдается также в плодах, где оно является следствием недо-
статка кислорода во внутренних тканях плода. Так, по мере созревания плодов
томатов содержание в них кислорода понижается до 1 %, а содержание СО2 воз-
растает до 25% (С. В. Солдатенков). В соответствии с этим постепенно повышает-
ся дыхательный коэффициент созревающих плодов, что указывает на усиление
процесса брожения по сравнению с аэробным дыханием.
О наличии в созревающих плодах процесса брожения свидетельствуют не
только высокие дыхательные коэффициенты, но также образование спирта. Эти-
ловый спирт обнаружен в созревающих грушах, апельсинах, яблоках, дынях,
сливах, томатах. Однако брожение растений не всегда протекает в соответствии
с приведенным выше уравнением, согласно которому спирт и углекислый газ
образуются в эквимолекулярных количествах (в отношении 100 : 100). Соот-
ношение спирта и углекислого газа может быть весьма различным у разных
растений.
В некоторых растительных объектах, как, например, в шампиньонах, при
брожении совершенно не образуется этиловый спирт, а в яблоках «Антоновка»
и в корне репы этилового спирта образуется лишь 50% от того его количества,
которое должно было бы образоваться в соответствии с уравнением брожения.
205
Сергей Павлович Костычев
(1877—1931)
Естествен вопрос: не образуются ли
при брожении растений, кроме этилового
спирта, также другие продукты неполного
окисления углеводов? Действительно, при
анаэробиозе наряду со спиртом образуют-
ся такие вещества, как ацетальдегид, а
также уксусная и молочная кислоты. Аце-
тальдегид найден в яблоках, персиках,
японской хурме, томатах, апельсинах, ман-
даринах, лимонах и сливах. По данным
Ю. В. Ракитина, в зрелых плодах содер-
жится от 0,3 до 1,9 мг ацетальдегида на
100 г сырой массы плода. При этом отме-
чено, что по мере созревания плодов по-
вышается содержание в них не только
этилового спирта, но и ацетальдегида. Об-
разование уксусной кислоты отмечено в
тканях корешков и зародышей. Что каса-
ется молочной кислоты, то установлено,
что она образуется при брожении у клубней
картофеля, корней моркови, а также про-
ростков кукурузы, томатов, бобов и го-
роха.
В созревающих плодах (яблоки, гру-
ши, бананы, авокадо и др.) образуется не-
которое количество этилена (С2Н4), что
ускоряет созревание плодов.
ХИМИЗМ И ВЗАИМОСВЯЗЬ ПРОЦЕССОВ БРОЖЕНИЯ И ДЫХАНИЯ
Приведенные выше суммарные уравнения брожения и дыхания дают пред-
ставление только о балансе исходных и образующихся веществ. Эти уравнения
не отражают сложных превращений веществ, происходящих в процессе дыхания
или брожения, и не дают представления о химической природе промежуточных
продуктов.
Еще в прошлом веке О. Пфлюгером была высказана мысль о тесной взаимо-
связи процессов дыхания и брожения. Особенно яркое выражение эта мысль о
единстве процессов дыхания и брожения получила в трудах С. П. Костычева.
Согласно Костычеву, теснейшая связь между брожением и обычным аэробным
дыханием растений может быть выражена схемой
Гексоза С6Н12О6
4
Промежуточные продукты брожения и дыхания
4 4
Брожение Аэробное дыхание (6СО2 + 6Н2О)
Взаимосвязь брожения и дыхания подтверждается тем, что в растениях
найдены все промежуточные продукты, образующиеся при спиртовом брожении.
Единство и связь процессов брожения и дыхания растений подтверждаются
также наличием в растениях всех ферментов, катализирующих во время спирто-
вого брожения превращения сахара и всех промежуточных продуктов, образую-
щихся из него.
Какова же последовательность и взаимосвязь отдельных реакций, проис-
ходящих на промежуточных этапах брожения и дыхания? В настоящее время,
206
благодаря трудам. Л. А. Иванова, А. Гардена, С. П. Костычева, К- Нейберга,
А. Н. Лебедева, Г. Эмбдена, Я. О. Парнаса и О. Мейергофа, она представляется
в следующем виде.
Начальные этапы аэробного и анаэробного расщепления углеводов состоят
в образовании ряда фосфорных эфиров гексоз. На первой стадии брожения и ды-
хания молекула глюкозы под действием фермента гексокиназы воспринимает от
аденозинтрифосфата остаток фосфорной кислоты. В результате реакции образу-
ются аденозиндифосфат и глюкопиранозо-6-фосфат; последний под действием
фермента глюкозофосфат-изомеразы превращается в фруктофуранозо-6-фосфат.
Далее образовавшийся фруктофуранозо-6-фосфат воспринимает еще один остаток
фосфорной кислоты от новой молекулы аденозинтрифосфата; в результате этой
реакции, катализируемой фосфофруктокиназой, образуется новая молекула
аденозин дифосфата и фруктофуранозо-1,6-дифосфат. Реакции образования фос-
форных эфиров гексоз на первой стадии дыхания и брожения могут быть пред-
ставлены следующим образом:
Глюкопираноза Глюкопиранозо-
-6-фосфат
Фруктофуранозо-
-6-фосфат
Фруктофуранозо-
-1,6-дифосфат
Глюкопиранозо-6-фосфат может образовываться из гликогена. При этом
на гликоген действует фосфорилаза (см. с. 125) и образуется глюкозо-1-фосфат,
который под действием фосфоглюкомутазы дает глюкопиранозо-6-фосфат. Далее с
последним происходят описанные выше превращения с образованием в конечном
счете фруктофуранозо-1,6-дифосфата.
Таким образом, образование фруктофуранозо-1,6-дифосфата является зак-
лючительной реакцией подготовительной стадии аэробного и анаэробного расщеп-
ления сахара. Эта подготовительная стадия слагается из ряда ферментативных ре-
акций, сопровождающихся переносом высокоэнергетических фосфатных связей.
В результате этих реакций молекула сахара приобретает большую лабильность
(или подвижность) и становится весьма способной к дальнейшим фермен-
тативным превращениям. При этом необходимо отметить, что симметричное рас-
положение остатков фосфорной кислоты по концам молекулы фруктозы облег-
чает разрыв ее углеродной цепочки как раз в середине. Поэтому следующий,
важнейший этап диссимиляции углеводов заключается в разрыве углеродной це-
почки фруктозодифосфата и образовании двух молекул фосфотриоз; реакция ка-
тализируется ферментом альдолазой, содержащимся в дрожжах, бактериях, в
тканях животных и высших растений; в частности, альдолаза выделена в очищен-
ном виде из семян гороха. Под действием альдолазы фруктозодифосфат обратимо
распадается на 3-фосфоглицериновый альдегид и фосфодиоксиацетон, претер-
певающих взаимные превращения под действием триозофосфат-изомеразы (с. 147).
Дальнейшему превращению в процессе брожения или дыхания подвергается
3-фосфоглицериновый альдегид. По мере его использования образовавшийся
фосфодиоксиацетон под действием триозофосфат-изомеразы дает новые количест-
ва 3-фосфоглицеринового альдегида.
Далее 3-фосфоглицериновый альдегид окисляется в 1,3-дифосфоглицерино-
вую кислоту под действием фермента дегидрогеназы фосфоглицеринового альде-
207
гида (1.1.1.12). Коферментом последнего у дрожжей является NAD+, а у высших
растений — NAD+ или NADP+.
Энергия, освобождающаяся в результате окисления 3-фосфоглицеринового
альдегида, аккумулируется в присоединяющемся остатке фосфорной кислоты,
причем образуется новая высокоэнергетическая связь. Таким образом, окисление
3-фосфоглицеринового альдегида в 1,3-дифосфоглицериновую кислоту сопровож-
дается образованием выеокоэнергетической связи.
1,3-Дифосфоглицериновая кислота отдает один остаток фосфорной кислоты,
содержащий высокоэнергетическую связь, молекуле аденозиндифосфата, причем
образуются аденозинтрифосфат и 3-фосфоглицериновая кислота; реакция отщеп-
ления остатка фосфорной кислоты от 1,3-дифосфоглицериновой кислоты и пере-
дача его молекуле аденозиндифосфата происходят под действием фермента фосфо-
глицераткиназы (2.7.2.3). Получившаяся в результате 3-фосфоглицериновая
кислота под действием фермента фосфоглицератмутазы превращается в 2-фосфо-
глицериновую кислоту.
Процесс превращения 3-фосфоглицеринового альдегида в 2-фосфоглицери-
новую кислоту можно представить в виде схемы:
СН2О ©
СНОН Н S-фермент
3-фосфогли-
цериновый
альдегид
СН2О^^ Комплекс
I фермента
СНОН и субстрата
1/ОН
I -фермент
Н
NAD+
СН2ОН
I 3-фосфогли-
СН О —цериновая
кислота
СООН
2-фосфогли-
цериновая
кислота
СН2О ©
снон
^он
АТР
СН2О©
СНОН—НО©
фермент\
Ацилмер-
-каптан ]
NADH+IT^/
HS-фермент
+
СН2О ©
снон
Ло©
' 1,3-ДИфосфн-
глйцер’иноваЯ
кислота
ADP
Образовавшаяся в процессе брожения или дыхания 2-фосфоглицериновая
кислота под действием фермента фосфопируват-гидратазы (енолазы) дает фосфо-
енолпировиноградную кислоту.
При этом молекула 2-фосфоглицериновой кислоты отдает воду, а в остатке
фосфорной кислоты возникает высокоэнергетическая связь. Таким образом, от-
нятие воды приводит к перераспределению внутренней энергии молекулы, в
результате чего образуется богатая энергией связь. Фосфоенолпировиног-
радная кислота затем передает остаток фосфорной кислоты, содержа-
щий высокоэнергетическую связь, молекуле аденозиндифосфата, причем
образуются молекула аденозинтрифосфата и молекула енолпировиноградной
208
кислоты, которая весьма нестойка и превращается в более устойчивую кетоформу
пировиноградной кислоты. Реакция превращения фэсфоенолпировиноградной
кислоты в енолпировиноградную кислоту катализируется пируваткиназой,
(2.7.1.40). Превращение 2-фосфоглицериновой кислоты в пировиноградную кис-
лоту может быть представлено в виде следующей схемы:
СН2ОН СН2 Фосфопируват- II гидратаза _ К СИ2 СНз СОН —*-со iooH iooH
нс и СООН -н2о (Ьон
2-фосфогли цериновая кислота ADP Фосфоенол- пировиноград- ная кислота АТР Енолпиро- виноградная кислота Пировино- градная кислота
Ферменты, катализирующие превращение сахара в пировиноградную кис-
лоту (гликолиз), содержатся в растворимой фракции клетки и найдены в семенах,
листьях, клубнях, дрожжах и бактериях.
Пировиноградная кислота, образовавшаяся в результате описанных нами
реакций, имеющих место на первых стадиях дыхания или брожения, может
далее подвергаться различным превращениям, направление которых зависит от
условий среды, точнее, — от наличия аэробных или анаэробных условий, и от
специфических особенностей данного организма, сложившихся в процессе эволю-
ционного развития. В анаэробных условиях пировиноградная кислота подвер-
гается превращениям, происходящим при спиртовом или молочнокислом бро-
жении. В аэробных условиях она может окисляться до уксусной кислоты или
полностью окислиться до углекислого газа и воды в соответствии с уравнением
аэробного дыхания.
Центральное положение пировиноградной кислоты в общей системе реакций,
происходящих при аэробной или анаэробной диссимиляции углеводов — при
дыхании или брожении, — можно представить в виде схемы (см. с. 210 — 211).
В приведенной схеме, начиная со стадии 1,3-дифосфоглицериновой кислоты,
все образующиеся затем промежуточные продукты имеют коэффициент 2. Это
объясняется тем, что из двух образовавшихся фосфотриоз — фосфодиоксиацето-
на и фосфоглицеринового альдегида — дальнейшему превращению подвергается
фосфоглицериновый альдегид. Образовавшаяся молекула фосфодиоксиацетона
под действием триозофосфат-изомер азы также превращается в новую молекулу
фосфоглицеринового альдегида и далее участвует во всех последующих превра-
щениях.
Из всего изложенного выше очевидно, что именно пировиноградная кислота
имеет большое значение, являясь тем промежуточным продуктом брожения и
дыхания, дальнейшие превращения которого приводят к спиртовому или молоч-
нокислому брожению, образованию уксусной кислоты или полному окислению
до углекислого газа и воды в процессе аэробного дыхания.
При спиртовом брожении, вызываемом микробами или происходящем в расти-
тельных тканях, образовавшаяся пировиноградная кислота расщепляется под
действием фермента пируватдекарбоксилазы на углекислый газ и уксусный аль-
дегид; последний далее вступает во взаимодействие с NADH, образовавшимся ра-
нее, при окислении фосфоглицеринового альдегида в фосфоглицериновую кисло-
ту. В результате происходит образование этилового спирта и регенерируется мо-
лекула NAD+. Реакция восстановления уксусного альдегида катализируется фер-
ментом алкогольдегидрогеназой (1.1.1.1), кофермент последнего NAD+. После-
209
э
тиловый спирт и
Уксусная Вода и угле-
М олочная
углекислый газ кислота
кислота кислый газ.
2АТР
2ADP
СН2
СООН
СН2
Енолпировино-
градная
кислота
СООН
Фосфоенол-'
пировино-
градная
кислота
СНоОН
2
фосфопируват
L гидратаза
СООН
2-фосфогли-
цериновая
кислота
2АТР
3-фосфогли-
^ериновая
кислота
2 СНОН
ioOH
НОН
1,3-Дифосфо-
глицериновая
кислота
2 ADP
Гликоген
довательность превращений пировиноградной кислоты при спиртовом брожении
может быть представлена уравнениями:
СН3СО СООН
СО2 + СНзСНО
Пируватде-
карбоксилаза
При молочнокислом брожении расщепления пировиноградной кислоты
пируватдекарбоксилазой не происходит и пировиноградная кислота восстанав-
ливается, превращаясь при этом в молочную кислоту:
лактат-
дегидро-
геназа
СН3-СО—СООН + 2Н+ — СН3—СНОН— СООН
Пировиноградная кислота Молочная кислота
Восстановление пировиноградной кислоты катализируется в данном случае
ферментом лактатдегидрогеназой (1.1.1.27).
Описанный выше путь анаэробного превращения молекулы глюкозы обычно
называют путем Эмбдена — Мейергофа — Парнаса или гликолизом.
Из схемы, представленной на с. 210 — 211, очевидно, что при анаэробном
превращении глюкозы в пировиноградную кислоту расходуется две молекулы
АТР (в реакциях, катализируемых гексокиназой и фосфофруктокиназой). На
более поздних этапах процесса синтезируются четыре молекулы АТР (при пре-
вращении 1,3-дифосфоглицериновой кислоты в 3-фосфоглицериновую и при пре-
вращении фосфоенолпировиноградной кислоты в енолпировиноградную). Таким
образом, количество энергии, запасаемой в виде АТР при спиртовом и молочно-
кислом брожении, эквивалентно всего лишь двум высокоэнергетическим связЯхМ
АТР на 1 моль сброженной гексозы, что составляет 14 ккал.
Полное окисление пировиноградной кислоты, происходящее при аэробном
дыхании в митохондриях, идет через ряд промежуточных этапов, катализируемых
соответствующими ферментами. Последовательность реакций, имеющих место
при аэробном окислении пировиноградной кислоты, можно представить следую-
щим образом.
Пировиноградная кислота под действием пируваткарбоксилазы (см. с. 149)
при участии АТР конденсируется с молекулой углекислого газа и образует при
этом щавелевоуксусную кислоту, которая очень легко превращается в свою
енольную форму НООС—СН=С(ОН)—СООН.
В результате окислительного декарбоксилирования второй молекулы пиро-
виноградной кислоты образуются молекула углекислого газа и ацетильный
радикал, связанный с коэнзимом А.
Процесс окислительного декарбоксилирования пировиноградной кислоты
катализируется сложной каталитической системой — мнотферментным комп-
лексом пируватдегидрогеназы. Для его осуществления небходимы NAD+, липое-
вая кислота, тиаминпирофосфат, FAD и кофермент А. Окислительное декарбок-
силирование пировиноградной кислоты и других gl-кетокислот сопровождается
возникновением высокоэнергетических связей.
212
Образовавшаяся молекула енольной формы щавелевоуксусной кислоты
конденсируется с ацетильным радикалом, образуя в результате лимонную кис-
лоту; реакция катализируется ферментом цитрат-синтазой (4.1.3.7), найденным
у животных, микроорганизмов и в различных растениях. Лимонная кислота далее
превращается в цис-аконитовую кислоту, а затем — в изолимонную кислоту.
По-видимому, и та, и другая реакции превращения лимонной кислоты катализи-
руются одним и тем же ферментом — акэнитат-гидратазой (4.2.1.3).
Процесс образования и переноса ацетильного остатка на щавелевоуксусную
кислоту под действием цитрат-синтазы с синтезом в конечном счете лимонной
кислоты происходит при участии кофермента А (коэнзима А) (см. с. 78). Назва-
ние кофермент А получил по каталитической функции ацетилирования. Кофер-
мент А найден в бактериях, дрожжах, животных тканях и высших растениях.
Кофермент А содержит аденин, связанный ^-гликозидной связью с первым
углеродным атомом D-рибозы. В 5'-положении D-рибозы имеется пирофосфатная
группа, этерифипированная пептидоподобным соединением пантотенил-^-амино-
этантиолом.
В образовании ацетилкофермента А принимает участие аденозинтрифосфат;
катализирует его ацетилкоэнзим А-синтетаза (6.2.1.1).
Образовавшийся ацетилкофермент A (CH3CO~S—СоА) содержит высоко-
энергетическую тиоэфирную связь, при гидролизе которой освобождается 8000
калорий. Ацетилкофермент А может затем передавать активированный ацетиль-
ный остаток различным соединениям, в данном случае щавелевоуксусной кисло-
те. Перенос ацетильных остатков при участии кофермента А играет также важ-
ную роль в биосинтезе жирных кислот, терпенов, стеролов и каучука (см. с. 322).
Кофермент А принимает участие не только в переносе ацетильных остатков, но
также в переносе ряда других ацилов, например остатков малоновой, бензойной,
янтарной и высокомолекулярных жирных кислот.
Таким образом, кофермент А — важнейший ацилирующий агент организма.
Открытие кофермента А и установление его химической природы было сделано
Ф. Линеном и Ф. Липманом. Работы Ф. Линена и Ф. Липмана, посвященные раскры-
тию структуры и роли кофермента А, были удостоены Нобелевской премии. Эти
работы имеют большое принципиальное значение, поскольку таким образом бы-
ла доказана каталитическая функция пантотеновой кислоты— витамина, играю-
щего весьма важную роль в обмене веществ. Вместе с тем открытие богатого
энергией соединения кофермента А с ацетильным остатком (CH3CO~S—СоА) или
другим ацильным остатком обнаружило существование в природе еще одного
типа высокоэнергетических связей. Как указано выше, кофермент А входит в
состав сложного многоферментного комплекса пируватдегидрогеназы. Этот комп-
лекс имеет «молекулярную» массу около 4,8 X 106. Он состоит из шестнадцати
молекул декарбоксилазы (каждая из которых содержит тиаминпирофосфат),
восьми молекул дигидролипоилдегидрогеназы (каждая из которых содержит три
молекулы FAD) и одной молекулы липоат-ацетилтрансферазы.
Образовавшаяся рассмотренным выше путем изолимонная кислота декарбо-
ксилируется под влиянием NAD-специфичной изоцитратдегидрогеназы
(1.1.1.41) с образованием а-кетоглютаровой кислоты и СО2. Далее при окисли-
тельном декарбоксилировании а-кетоглютаровой кислоты выделяется молекула
СО2 и образуется янтарная кислота; последняя затем окисляется под действием
фумарат-гидратазы (4.2.1.2) и, присоединяя молекулу воды, дает яблочную кис-
лоту. Дегидрогенизация яблочной кислоты, происходящая под действием NAD-
специфичной малатдегидрогеназы (1.1.1.37), приводит к образованию щавелево-
уксусной кислоты, способной снова вступить в реакцию конденсации с новой
молекулой ацетил-СоА. Следовательно, все реакции окислительной диссимиляции
пировиноградной кислоты начнутся снова.
213
Глюкоза
СООН
(Ljj Яблочная
I 2 кислота
СНОН
СООН
±Н2О \ V (3)
ООН
сн
цис - аконитовая С—С ООН
кислота |
СООН
сн2
соон
±н2о//(4)
СООН //
снон
а -Кетоглю-
таровая
кислота
Такая последовательность и взаимосвязь превращений пировиноградной
кислоты получила название цикла трикарбоновых кислот (цикла Г. А. Кребса),
который может быть представлен в виде схемы (цифры в скобках соответствуют
номерам реакций и названиям соответствующих ферментных систем, приведенным
ниже):
Номер реакции
1,6
2
3,4
5
Ферменты и коферменты
Система окислительного декарбоксилирования
Цитрат-синтаза: кофермент А
Аконитат-гидратаза
Изоцитр ат деги др оге наза
214
7 Сукцинатдегидрогеназа
8 Фумарат-гидратаза
9 Малатдегидрогеназа
10 Спонтанное превращение
11 Пируваткарбоксилаза
Из приведенной схемы цикла трикарбоновых кислот очевидно, что окисле-
ние одной молекулы пировиноградной кислоты сопровождается выделением трех
молекул углекислого газа (реакции 1, 5 и 6) и отнятием пяти пар водородных ато-
мов (реакции 1, 5, 6, 7, 9). Возникает вопрос — откуда берутся 5 пар водородных
атомов, если в самой пировиноградной кислоте содержится только 4 водородных
атома? Ответ на этот вопрос легко получить при рассмотрении изображенной
схемы. На некоторых этапах цикла отнятию водорода предшествует присоеди-
нение воды к молекуле подвергающегося дегидрированию соединения. Это имеет
место при реакциях 1,4, 6, 8; однако фактически одна из присоединяющихся мо-
лекул воды не входит в баланс окисления пировиноградной кислоты, поскольку
во время реакции (2) выделяется молекула воды, которая затем используется
на одном из следующих этапов цикла. Водород, отнятый дегидрогеназами от того
или иного соединения на 1, 5, 6, 7 и 9 этапах цикла трикарбоновых кислот, с по-
мощью цитохромной системы окисляется до воды кислородом воздуха, потреб-
ляемым в процессе аэробного дыхания. Суммарно балансовое уравнение окисле-
ния пировиноградной кислоты можно представить так:
I t I
С3Н4О3 + ЗН2О + 50 -> ЗСО2 + 5Н2О
| I I |
Из приведенного уравнения очевидно, что кислород воздуха, активируемый
цитохромной системой, потребляется исключительно на окисление водорода
пировиноградной кислоты и водорода воды, присоединяющейся к соответствую-
щим субстратам на определенных этапах цикла.
Если в приведенном выше уравнении окисления пировиноградной кислоты
сократить воду, то получится следующее балансовое уравнение:
С3Н4О3 + 50 = ЗСО2 + 2Н2О
Учитывая, что из одной молекулы глюкозы в процессе ее анаэробного рас-
щепления образуются две молекулы пировиноградной кислоты, а также то, что
при окислении фосфоглицеринового альдегида в фосфоглицериновую кислоту
от каждой окисляемой молекулы отнимаются два атома водорода, которые окис-
ляются в конце концов до воды кислородом воздуха, мы можем подвести баланс
израсходованных и образовавшихся веществ и получить в итоге обычное суммар-
ное уравнение аэробного дыхания:
С6Н12О6 4- 6О2 —> 6СО2 + 6Н2О
Некоторые бактерии (Pseudomonas, Escherichia coli) и плесневые грибы в ка-
честве единственного источника углерода могут использовать двууглеродные со-
единения, например ацетат. У этих организмов промежуточный обмен углерода
может осуществляться не только по описанному выше циклу трикарбоновых
кислот, но также с помощью разновидности этого цикла, в которой участвует
глиоксилевая кислота. Эта разновидность цикла Кребса получила название
цикла глиоксилевой кислоты и может быть изображена в виде приведенной ниже
схемы:
215
ацетил-С оА
лимонная
кислота •
щ авел ево уксусная,
кислота
кислота
кислота
Так же, как и в основном цикле трикарбоновых кислот, ацетат вступает в
реакцию со щавелевоуксусной и глиоксилевой кислотами в виде ацетилкофермен-
та А. Особенностью цикла глиоксилевой кислоты являются реакции I и II, в
результате которых изолимонная кислота превращается в глиоксилевую и затем
в яблочную кислоты. Реакция I катализируется ферментом изоцитрат-
лиазой (4.1.3.1), а реакция II — ферментом малат-синтазой (4.1.3.2), действие
которой аналогично действию конденсирующего фермента цитрат-синтазы в
цикле Кребса. Остальные реакции цикла глиоксилевой кислоты катализируются
теми же ферментами, что и реакции «основного» цикла Кребса. Реакции цикла
глиоксилевой кислоты лежат в основе превращения жира в углеводы, происхо-
дящего при прорастании богатых маслом семян, когда в результате окислитель-
ной диссимиляции жирных кислот образуются значительные количества ацетиль-
ных остатков (см. с. 263).
Происходящие при прорастании масличных семян реакции глиоксилатного
цикла осуществляются в субклеточных структурах, называемых глиоксисомами.
Глиоксисомы содержат ферменты, присутствующие также в митохондриях и
приводящие к синтезу изолимонной кислоты. Образующийся в глиоксисоме под
действием изоцитрат-лиазы глиоксилат превращается далее в яблочную, а затем
в щавелевоуксусную кислоту, которая снова вступает в цикл. Образовавшийся
сукцинат не может быть использован глиоксисомой и передается в митохондрию.
Здесь он окисляется до яблочной и далее до щавелевоуксусной кислоты. Пос-
ледняя, по-видимому, уже вне митохондрии декарбоксилируется с образованием
фосфоенолпирувата, из которого образуются триозы и далее гексозы. Эти реакции
лежат в основе процесса глюконеогенеза — превращения жиров в сахара, проис-
ходящего при прорастании масличных семян.
Если рассмотреть весь путь диссимиляции глюкозы в процессе дыхания —
его анаэробную стадию вплоть до образования пировиноградной кислоты и даль-
нейшую аэробную стадию, заключающуюся в полном окислении пировиноград-
ной кислоты до СО2 и Н2О, то можно установить прежде всего, что окисление
любого из соединений, образующихся на первой или второй стадии, начинается
с дегидрогенизации — отнятия водорода от данного соединения под действием
соответствующей дегидрогеназы.
Мысль о дегидрогенизации как первом этапе окисления органического ве-
щества в процессе дыхания впервые была высказана В. И. Палладиным в извест-
ной речи «Значение восстановлений для дыхания растений». Теория Палладина
в дальнейшем была подтверждена и развита работами Г. Виланда.
Водород, отнятый дегидрогеназами от того или иного окисляемого субстра-
216
та, передается затем через ряд промежуточных ферментных систем и в конце
концов соединяется с кислородом воздуха, образуя воду или перекись водорода.
Роль подобного промежуточного переносчика водорода, воспринимающего водород
от пиридиновых дегидрогеназ, играют флавиновые ферменты. Окисление водорода
осуществляется затем с помощью цитохромной системы. Эта ферментная система,
как бы заканчивающая процесс окисления водорода, отнятого от того или иного
субстрата, получила название «конечной» (или «терминальной») (см. с. 114).
В процессе клеточного дыхания перенос электронов от флавиновых дегидро-
геназ к цитохромной системе происходит при участии негеминовых железопроте-
идов (типа ферредоксинов) и ряда жирорастворимых хинонов, получивших об-
щее название убихинонов (коферментов Q). Эти вещества найдены в клетках ра-
стений, животных и микроорганизмов; они обозначаются как кофермент Q7, Q8,
Q9, •••, Q12 и имеют в основе следующую структуру:
О
II
С
СН3О-Z сн3 сн.
II II I
СН3О—С С—(СН2—СН=С—СН2)Л н
с
II
о
Таким образом, эти соединения являются производными 2,3-диметокси-5-
метилбензохинона. Если п = 9, то мы имеем кофермент Q9, если п = 8, то кофер-
мент Q8 и т. д. Они могут легко восстанавливаться, образуя соответствующие
гидрохиноны.
Процесс переноса водорода и электронов при дыхании растительных орга-
низмов можно представить в виде схемы:
негеминовые
Субстрат -> NAD+ -> флавопротеид -> железопроте-
иды \
убихинон -> цитохромы b ->
Сукцинат -> флавопротеид негеминовые /
железопр отеиды
цитохром а3
7 \
цитохром CJ -г цитохром с цитохром а О2
|\ /
I цитохром Лр
Ионы
меди
Субстратами дыхания, подвергающимися окислению путем отнятия водорода
с помощью анаэробных (пиридиновых) дегидрогеназ, служат фосфоглицерино-
вый альдегид, возникающий в анаэробной фазе дыхания, или пировиноградная,
изолимонная, а-кетоглютаровая и яблочная кислоты, образующиеся в цикле
Кребса.
Из приведенной схемы видно, что прекрасным субстратом для дыхания расти-
тельных организмов и микробов является также янтарная кислота
У некоторых растений роль «конечной» оксидазы, возможно, играет аскор-
бинатоксидаза. При этом окислительно-восстановительные превращения аскорби-
новой и дегидроаскорбиновой кислот теснейшим образом связаны с ферментатив-
ными превращениями системы окисленного и восстановленного глютатиона
(2 Г5Н=ё± TS—5Г +2Н+), катализируемыми ферментом глютатионредуктазой
(1.6.4.2), найденной в высших растениях, дрожжах и бактериях.
217
В свою очередь эта система через пиридиновые дегидрогеназы «подключается>
к циклу трикарбоновых кислот, участвуя в окислении тех или иных компонен-
тов этого цикла. Так, в семенах гороха происходит окисление изолимонной кис-
лоты в а-кетоглютаровую или же яблочной в щавелевоуксусную по следующей
схеме:
кислота
кислота
Совершенно очевидно, что в этой схеме в качестве «конечной» оксидазы, окис-
ляющей аскорбиновую кислоту, вместо аскорбинатоксидазы может функциони-
ровать цитохромная система. Зависит это от природы организма.
У разных растительных организмов природа «конечной» оксидазной системы
различна. В прорастающих семенах ячменя или пшеницы роль «конечной» окси-
дазной системы принадлежит главным образом цитохромной системе, а у бело-
кочанной капусты ведущую роль в качестве «конечной» оксидазы играет, по-ви-
димому, аскорбинатоксидаза.
Определенные различия наблюдаются также между отдельными сортами
одного и того же вида растений. Например, установлено, что цианид, ингиби-
рующий полифенолоксидазу и цитохромоксидазу, совершенно по-разному дей-
ствует на дыхание корней моркови разных сортов — на одни сорта он почти
не действует, а на другие действует очень сильно.
Приведенные факты свидетельствуют о том, что в процессе эволюционного раз-
вития растений происходила эволюция дыхательных ферментных систем. Значи-
тельные изменения в природе «конечных» оксидаз наблюдаются также в процессе
индивидуального развития данного растения. Д. М. Михлиным и П. А. Колес-
никовым установлено, что в прорастающих семенах ячменя на первых этапах
прорастания преобладает цитохромная система, однако по мере дальнейшего
развития проростков цитохромная система уступает место флавиновой системе,
взаимодействующей непосредственно с кислородом воздуха.
Важной задачей дальнейших исследований является выяснение роли и взаи-
мосвязи цитохромной, флавиновой и аскорбинатоксидазной систем в процессе
дыхания растений.
При полном окислении углеводов в процессе дыхания кроме воды образуется
также углекислый газ. В приведенной выше схеме цикла трикарбоновых кислот
показано, что источником выделяемого при дыхании углекислого газа служит
реакция декарбоксилирования кетокислот. Под действием соответствующих фер-
ментов декарбоксилируются пировиноградная и а-кетоглютаровая кислоты.
Источником образования некоторого количества углекислого газа может так-
же служить реакция разложения щавелевоуксусной кислоты, происходящая
под действием оксалоацетатдекарбоксилазы (см. с. 145). Этот фермент катали-
зирует реакцию
Щавелевоуксусная кислота 7"» пировиноградная кислота + СО2.
Фермент найден в зародышах пшеницы, в горохе, шпинате, в корнях свеклы,
моркови, петрушки и пастернака.
218
Рис. 64. Митохондрии батата
Реакции цикла трикарбоновых кислот и переноса водорода и электронов
в процессе дыхания происходят в форменных элементах цитоплазмы — мито-
хондриях.
На рис. 64 представлена фотография митохондрий батата в электронном
микроскопе.
Митохондрия — высокоорганизованная структура, похожая на многока-
мерный мешочек обычно удлиненной формы с эластичной мембраной, образую-
щей ряд ответвлений (крист), как бы разделяющих внутренность митохондрии
на отдельные, соединяющиеся между собой камеры. Внутренняя часть мито-
хондрии, или матрикс, заполнена полужидким содержимым. Мембрана мито-
хондрии содержит 65% белка и 35% липидов. Липиды митохондрий очень богаты
ненасыщенными жирными кислотами (например, в липидах митохондрий яблок
56% всех жирных кислот составляет линолевая кислота). На рис. 65 показано,
как в двойном липидном слое мембраны «утоплены» молекулы белков.
Рис. 65. Схема структуры митохондрии. А — общая схема строения, Б — схема
продольного разреза части митохондрии, В — схема строения мембраны митохонд-
рии; маленькие шарики с хвостами — липиды, большие комки неправильной фор-
мы — белки
219
Митохондрии образно можно считать «силовыми станциями» клетки. Именно
в них происходят реакции цикла Кребса и связанные с ними окислительные про-
цессы, заканчивающиеся окислительным фосфорилированием и синтезом АТР.
Ферментные системы цикла Кребса сосредоточены в матриксе, а ферментные сис-
темы окисления — в мембране.
Большое физиологическое значение имеет способность митохондрии сжимать-
ся и набухать (по-видимому, путем поглощения или отдачи воды в цитоплазму).
При этом мембрана митохондрии, подобно мускульной ткани, может растягивать-
ся и сокращаться; сокращения й растяжения теснейшим образом связаны с кон-
центрацией АТР в митохондрии. Если концентрация АТР повышается, то мем-
брана сокращается, и наоборот. Таким образом, интенсивность окислительных
процессов и водный режим клетки регулируются концентрациёй АТР в мито-
хондриях. В процессе онтогенеза растения или данной растительной ткани, а
также при изменейии внешних условий меняется как форма митохондрий и их
структура, так и их химический состав. Растительные митохондрии отличаются от
митохондрий животных тем, что они способны окислять экзогенный NADH и
обладают дыханием, частично устойчивым к цианиду.
Митохондрии, выделенные из цитоплазмы проростков фасоли, клещевины,
горюха, люпина и цветной капусты, а также из плодов авокадо, чрезвычайно
интенсивно окисляют пировиноградную кислоту, причем это окисление проис-
ходит только лишь в присутствии незначительных количеств других кислот,
участвующих в окислительно-восстановительных реакциях цикла трикарбоновых
кислот. Подобное сопряженное окисление пировиноградной кислоты происходит
особенно энергично в присутствии незначительных количеств а-кетоглютаровой,
яблочной, фумаровой и янтарной кислот.
Все вещества, образующиеся из пировиноградной кислоты при ее окисле-
нии, найдены в растениях.
В растениях и у микроорганизмов найдены и все ферменты, катализирую-
щие отдельные реакции цикла трикарбоновых кислот.
Окисление митохондриями в процессе дыхания тех или иных веществ сопро-
вождается поглощением неорганического фосфата и синтезом аденозинтрифос-
форной кислоты. Приведем, например, данные опытов с фосфатом (табл. 8),
содержащим меченый радиоактивный фосфор 32Р (Д. Боннер и др.).
Таблица 8
Включение з2Р неорганического фосфата в аденозинтри-
фосфорную кислоту митохондрий фасоли
Окисляемый субстрат Поглощение О2, мм3 Процент 32Р включившего- ся в АТР митохондрий Относитель- ная радиоак- тивность фос- фора образо- вавшегося АТР
Без добавки С а-кетоглютаровой кисло- 0 0,04 0,85
той 86 2,24 47,5
Аналогичные результаты были получены в опытах с митохондриями, выде-
ленными из листьев табака и томатов, из корней пшеницы, ячменя и гороха. Все
эти данные показывают, что у растений, так же как и у других организмов, окис-
лительные процессы сопровождаются окислительным фосфорилированием, т. е.
включением неорганического фосфата в состав аденозинтрифосфорной кислоты,
в которой аккумулируется энергия, освобождающаяся в результате реакций
биологического окисления. Окислительное фосфорилирование в митохондриях
многих растений показано при окислении кислот цикла Кребса—пировиноградной,
220
щ/авелевоуксусной, изолимонной, лимонной, а-кетоглютаровой, янтарной, фу-
маровой и яблочной. Если подвести энергетический баланс процесса окисления
молекулы глюкозы при аэробном дыхании, то получится следующая картина.
Превращения глюкозы до пировиноградной кислоты в анаэробной фазе дыхания
приводят к возникновению двух молекул АТР:
Глюкоза 4- 2NAD+ 4- 2ADP 4- 2Рнеорг -> 2 пируват -f- 2NADH 4- 2АТР.
Окисление Образовавшихся при этом двух молекул NADH в процессе дыха-
ния сопровождается фосфорилированием ADP и образованием шести молекул
АТР:
2NADH + 6Рнеорг -ь 6ADP 4- О2 -> 2NAD+ 4- 8Н2О 4- 6АТР
Окисление образовавшихся из глюкозы в анаэробной фазе двух молекул пиро-
виноградной кислоты до ацетил-СоА сопровождается образованием двух моле-
кул NADH, при окислении которых возникает шесть молекул АТР:
СоА
2 пируват -f- 2NAD+ —► 2 ацетил- СоА + 2СО2 + 2NADH и далее
2NADH + 6Рнеорг + 6ADP + О2 -> 2NAD+ + 8Н2О + 6АТР
Наконец, при полном окислении двух молей ацетил-СоА в цикле Кребса воз-
никают 24 молекулы АТР:
2 ацетат 4- 24Рнеорг 4- 24ADP 4- 4О2 -> 4СО2 4- 8Н2О 4- 24АТР
Следовательно, в итоге полного окисления молекулы гексозы до СО2 и НЮ
образуется энергия, соответствующая 38 высокрэнергетическим связям АТР.
Таким образом, при сравнении «выхода» энергии, запасаемой в виде АТР
при брожении и кислородном дыхании, видно, что дыхание — процесс, в энер-
гетическом отношении в 19 раз более выгоден, чем брожение.
Молекулярный механизм окислительного фосфорилирования недостаточно
ясен, и по этому поводу выдвигается ряд гипотез. За последние годы получены
доказательства, подтверждающие хемиосмотическую теорию П. Митчелла.
Согласно этой теории находящаяся в мембране митохондрии цепь переноса
электронов функционирует как «протонный насос», вызывая возникновение гра-
диента концентрации протонов (Н+-ионов). Происходящее при дыхании переме-
щение электронов в мембране митохондрии заставляет протоны перемещаться
изнутри митохондрии наружу, создавая, таким образом, градиент концентрации
протонов и трансмембранный потенциал между внешней и внутренней поверх-
ностью мембраны митохондрии. Электрическая энергия и энергия градиента
протонов используется для синтеза АТР, который осуществляется в особом АТР-
азном многоферментном комплексе «вмонтированном» на внутренней
поверхности белково-липидной мембраны митохондрии. Этот комплекс часто на-
зывают АТР-синтетазой.
Рассмотренный выше «генеральный» путь диссимиляции углеводов в расти-
тельных организмах включает фосфорилирование гексоз, образование двух
молекул фосфотриоз, последующие превращения их вплоть до образования пиро-
виноградной кислоты и дальнейшее превращение последней в процессе брожения
или в процессе дыхания. Однако известны также другие пути окислительного
превращения углеводов.
Одним из таких побочных путей окислительного превращения гексоз, ис-
следованным В. А. Энгельгардтом, О. Варбургом и Ф. Дикенсом, является об-
разование глюконовой кислоты при окислении глюкозо-6-фосфата особой дегидро-
геназой. Этот процесс, по-видимому, идет таким образом, что из глюкозо-6-фос-
221
фата образуется промежуточный у-лактон, который затем превращается в
6-фосфоглюконовую кислоту:
СН2О(Р)
н£—
kOH Н& + NADP+
НОГ-СОН
н <!>н
Г лю козо-6-ф осф ат
+Н2О
6-ф осф оглю коновая
кислота
Затем от фосфоглюконовой кислоты под действием фосфатазы может от-
щепляться фосфорная кислота, в результате образуется свободная глюконовая
кислота. Фосфоглюконовая кислота может подвергаться дальнейшим превра-
щениям с образованием фосфорных эфиров пентоз — рибозофосфата и рибу-
лозофосфата.
Превращение фосфоглюконовой кислоты в рибулозо-5-фосфат (см. с. 189)
сопровождается отнятием двух атомов водорода, воспринимаемых NADP+, по-
следний при этом дает NADPH + Н+. Таким образом, в процессе превращения
одной молекулы глюкозо-6-фосфата в рибулозофосфат образуются молекула СО2
и две молекулы NADPH, которые, окисляясь при участии кислорода воздуха,
дают молекулу воды. Следовательно, можно написать суммарное уравнение
этого процесса в следующем виде:
Глюкозофосфат + О2 -> Пентозофосфат + СО2 + Н2О
Образовавшийся пентозофосфат в результате ряда ферментативных превра-
щений далее может подвергаться полному окислению до углекислого газа и воды.
Окисление гексозофосфата через фосфоглюконовую кислоту и пентозофосфат
получило название пентозофосфатного пути и может быть выражено следую-
щим суммарным уравнением:
Глюкозофосфат + 6О2 6СО2 + 5Н2О + Н?РО4
У растений (одноклеточная зеленая водоросль Chlorella, клубни картофеля,
листья) окисление глюкозофосфата через фосфоглюконовую кислоту столь же
важно, как и обычный путь расщепления гексоз, приводящий к образованию
пировиноградной кислоты и ее дальнейшему окислению в цикле Кребса. По-
видимому, у растений пентозофосфатный путь играет более важную роль в тем-
ноте, чем на свету. Так же, как и ферменты гликолиза, ферменты пентозофосфат-
ного пути содержатся главным образом в растворимой фракции клетки, причем
дегидрогеназам в качестве кофактора необходим NADP+.
В энергетическом отношении пентозофосфатный путь почти не уступает
обычному кислородному дыханию — «выход» энергии, запасаемой в АТР, в
случае полного окисления молекулы глюкозы измеряется образованием 35 высо-
коэнергетических связей.
Второй побочный путь окисления гексоз в организме — образование уро-
новых кислот, т. е. окисление у шестого углеродного атома. По всей вероят-
ности, этот процесс идет наиболее легко в случае окисления глюкозо-1-фосфата.
Наряду с данными о широком распространении уроновых кислот в растениях мы
располагаем рядом экспериментальных данных, указывающих на наличие по-
добного процесса в растительных тканях.
Наиболее важные и распространенные соединения, потребляемые в процессе
брожения или дыхания, — гексозы, точнее глюкоза и фруктоза. Однако многие
222
растения могут использовать в качестве исходного ма-
териала для брожения и дыхания ряд других соедине-
ний как углеводной, так и неуглеводной природы. Чрез-
вычайно ценным источником углеродного питания для
высших и низших растений является сахароза. Это до-
казано на стерильных культурах зародышей и тканей
высших растений, а также на чистых культурах раз-
личных микроорганизмов. По мнению С. Д. Львова,
сахароза — важнейший дыхательный материал расте-
ний; однако она предварительно подвергается гидроли-
тическому расщеплению под действием инвертазы. Мно-
гие микроорганизмы и некоторые высшие растения в
качестве источника углеродного питания и дыхатель- рИс. 66. Расходование
ного материала с чрезвычайной легкостью используют хранящимися сливами на
многоатомные спирты, образующиеся при восстановле- дыхание сорбита (1) и
нии гексоз. Так, например, для Azotobacter и многих сахаров (2)
других микробов маннит является наилучшим источни-
ком углеродного питания. Несомненно, что маннит используется также на ды-
хание теми высшими растениями, в которых он накапливается в весьма значи-
тельных количествах (например, заразиха, плоды маслины, побеги ясеня).
При хранении плодов груш и слив помимо сахаров на дыхание расходуется
также содержащийся в них сорбит. У слив расходуется, в первую очередь, сор-
бит, а не сахара (рис. 66).
При недостатке углеводов растения могут использовать на дыхание содержа-
щиеся в них органические кислоты. Например, «голодающие» (отделенные от
растения и находящиеся в темноте) листья табака используют на дыхание зна-
чительные количества органических кислот — лимонной, яблочной и др.
(А. И. Смирнов). Использование в процессе дыхания органических кислот про-
исходит также у растений из семейства Толстянковых (Crassulaceae), которые,
как известно, накапливают значительные количества лимонной, изолимонной
и яблочной кислот.
У прорастающих масличных семян на дыхание расходуется жир, который
претерпевает гидролитическое расщепление под действием липазы; образовав-
шиеся при этом жирные кислоты и глицерин превращаются в сахар. Это ясно вид-
но из весьма низких дыхательных коэффициентов прорастающих масличных се-
мян (см. с. 261), а также из того, что по мере расходования жира в семенах про-
исходит увеличение содержания сахаров. Например, в прорастающих семенах
льна содержание сахаров (А. И. Ермаков, и Н. Н. Иванов), образующихся за
счет жира, нарастает следующим образом:
Объект исследования Моносахариды, % Сахароза, %
Исходные семена 0,34 0,62
Проростки (через 8 ч прорастания) 0,35 1,22
» » 27» » 0,63 1,34
» » 49» » 1,16 1,88
» » 71 » » 2,55 3,52
Превращение жира в углеводы происходит через глиоксилатный цикл (см.
с. 216).
Работы В. С. Буткевича, С. П. Костычева, В. О. Таусона и других пока-
зали, что многие микроорганизмы могут прекрасно использовать в качестве
источника углеродного питания и дыхательного материала углеводороды нефти,
хинную кислоту и другие циклические соединения: углеводороды, подобные
фенантрену и нафталину, полифенолы и т. д.
Белок также может использоваться как материал для дыхания. Представле-
223
ние о важнейшей роли белка в процессе дыхания растений в свое время было
обосновано и развито И. П. Бородиным. В настоящее время несомненно, что
белок принимает самое непосредственное участие в окислительно-восстанови-
тельных реакциях при дыхании.
Углекислота, выделяемая листьями в процессе дыхания, превышает коли-
чество ее, которое могло бы образоваться в результате полного окисления угле-
водов и органических кислот, содержащихся в листьях. А. И. Смирнов, работав-
ший с «голодающими» листьями табака, на основании сделанных им анализов
и расчетов пришел к заключению, что от 20 до 40% выделяемого листьями угле-
кислого газа образуется за счет веществ неуглеводной природы. К аналогичным
выводам пришли Виккери и Пючер, работавшие с изолированными листьями
ревеня. На основании количественного определения различных форм углерода
они пришли к заключению, что значительная часть углерода, выделяемого при
дыхании в виде углекислого газа, происходит из белков листовой пластинки.
Точно так же изучение дыхания картофельных клубней показало, что часть вы-
деляемого углекислого газа возникает в результате окислительного превращения
аминокислот.
ЛИТЕРАТУРА
Вартапетян Б. Б. Молекулярный кислород и вода в метаболизме клетки. М., 1970.
Гельман Н. С., Лукоянова М. А. и Островский Д. Н. Мембраны бактерий и дыхатель-
ная цепь. М., 1972.
Колесников П. А. Гликолатно-глиоксалатный цикл в растениях. — Успехи современ-
ной биологии, 1968, т. 65, вып. 1, с. 20.
Котельникова А. В. и Звягильская Р. А. Биохимия дрожжевых митохондрий. М., 1973.
Кребс Г. и Корнберг Г. Превращение энергии в живых системах. М., 1959.
Кретович В. Л. Физиолого-биохимические основы хранения зерна. М., 1945.
Ленинджер А. Митохондрия. М.» 1966. '
Рубин Б. А. и Ладыгина М. Е. Физиология и биохимия дыхания растений. М., 1974.
Рэкер Э. Биоэнергетические механизмы: новые взгляды. М., 1979.
Скулачев В. П. Трансформация энергии в биомембранах. М., 1973.
Стефенсон М. Метаболизм бактерий. М., 1951.
Фенеан Дж., Колмэн Р. и Мичелл Р. Мембраны и их функции в клетке. М., 1977.
Beevers Н. Respiratory Metabolism in Plants. New York, Row, Peterson and C°, 1961.
Hartree F. F. Cytochromes in Higher Plants. «Advances Enzymol. and Related Subjects
Biochem.», 18, 1, 1957.
Ikuma H. Electron Transport in Plant Respiration. «Annual Rev. Plant Physiol.», 23,
419, 1972.
Jones C. IT. Biological Energy Conservation. London, Chapman a. Hall, 1976.
Lieberman M. a. Baker J. E. Respiratory Electron Transport. «Annual Rev. Plant
Physiol.», 16, 343, 1965.
Palmer J. M. The “Uniqueness” of Plant Mitochondria.” Biochem. Soc. Transactions”, 7,
246, 1979.
Глава VII
ОРГАНИЧЕСКИЕ КИСЛОТЫ И ИХ ОБМЕН
ОРГАНИЧЕСКИЕ КИСЛОТЫ АЛИФАТИЧЕСКОГО РЯДА
Содержащиеся в растениях органические кислоты алифатического ряда
подразделяются на две большие группы — летучие (перегоняющиеся с водяным
паром) и нелетучие. Органические кислоты растений содержатся в них как в сво-
бодном виде, так и в виде солей или эфиров. Из летучих кислот наиболее важ-
ными являются муравьиная, уксусная и масляная кислоты.
. Муравьиная кислота НСООН представляет собой подвижную жидкость с
резким запахом. Найдена в крапиве, малине; в виде сложных эфиров содержится
в яблоках.
Уксусная кислота СН3—СООН встречается в различных плодах и расти-
тельных соках. В особенно больших количествах образуется при уксуснокислом
брожении как продукт жизнедеятельности уксуснокислых бактерий. Уксусная
кислота, по данным С. В. Солдатенкова, составляет до 85% всех органических
кислот в зерне пшеницы и кукурузы. Содержится в свободном виде и в виде
различных сложных эфиров в яблоках.
Уксусная кислота широко применяется в пищевой промышленности при из-
готовлении различных маринадов.
Масляная кислота СН3—СН2—СН2—СООН встречается в небольших ко-
личествах в растениях как в свободном виде, так и в виде сложных эфиров. Сво-
бодная масляная кислота обладает сильным и весьма неприятным запахом (за-
пах несвежего сливочного масла). Масляная кислота образуется при масляно-
кислом брожении. В растениях найдены также (3-окси-а-кетомасляная кислота
СН3—СН(ОН)—СО—СООН и у-окси-а-кетомасляная кислота НОСН2—СН2—
—СО—СООН. У ряда бактерий (Bacillus megaterium, водородные бактерии,
фотосинтезирующая бактерия Rhodospirillum rubrum, Azotobacter, Rhizoblum
и др.) в качестве важного запасного вещества накапливается (3-оксимасляная кис-
лота СН3—СН(ОН)—СН2—СООН и ее полимеры. Масляная кислота применяется
в парфюмерной и кондитерской промышленностях в виде сложных эфиров, яв-
ляющихся ценными ароматическими веществами. Например, метиловый эфир
масляной кислоты обладает запахом яблок, этиловый — ананасов и т. д.
Гликолевая (рксиуксусная) кислота НОСН2—СООН найдена во многих ра-
стениях.
8-596
225
Молочная кислота (оксипропионовая) СН3—СН(ОН)—СООН обнаружена
во многих растениях. Довольно заметное количество ее содержат листья малины.
Молочная кислота часто образуется при анаэробном дыхании растений; особенно
в больших количествах — при молочнокислом брожении, вызываемом молочно-
кислыми бактериями.
Молочная кислота применяется в кожевенном деле при обработке кож, как
протрава в текстильной промышленности, в медицине. Особенно широко ее при-
меняют в пищевой промышленности при изготовлении конфет, безалкогольных
напитков и т. д.
Пировиноградная кислота СН3—СО—СООН — простейшая кетокислота —
важнейший промежуточный продукт при диссимиляции углеводов в растении,
а также при спиртовом и молочнокислом брожении. Найдена во многих расте-
ниях. В ряде растений обнаружена оксипировиноградная кислота
НССН2—СО—СООН.
Глиоксалевая (глиоксалевая) кислота НОС—СООН — простейшая альдегидо-
кислота. Найдена в различных плодах и проростках, в пшенице, картофеле
и других растениях. Играет важную роль в глиоксилатном цикле у многих
микроорганизмов, а также в прорастающих семенах масличных растений (см.
с. 265).
Щавелевая кислота НООС—СООН — простейшая дикарбоновая кислота.
Для нее характерна кальциевая соль, нерастворимая в воде и даже в уксусной
кислоте. Чрезвычайно широко распространена в растениях как в свободном виде,
так и в виде солей. Особенно часто содержится в растениях в виде щавелевокис-
лого кальция, который иногда накапливается в очень больших количествах в
форме сросшихся между собой кристаллов. Большие количества щавелевой
кислоты содержат некоторые мясистые растения — суккуленты (молодило и др.).
В плодах и ягодах она содержится в незначительном количестве — от 0,005 до
0,06%. Щавелевая кислота может накапливаться в результате развития на са-
харных растворах некоторых плесневых грибов.
Малоновая кислота НООС—СН2—СООН найдена в листьях фасоли, лю-
церны и других бобовых растений, в плодах лимона, в цветках георгина, а также
в зеленых частях растений пшеницы, овса и ячменя. В виде малонилкофермента
А является важнейшим промежуточным продуктом при синтезе насыщенных
жирных кислот (см. с. 260).
Янтарная кислота НООС—СН2—СН2—СООН образуется в небольшом ко-
личестве при спиртовом брожении. Содержится во многих растениях, в част-
ности в ягодах красной смородины, в незрелой вишне, крыжовнике и винограде,
а также в черешне и яблоках. Янтарная кислота может накапливаться в резуль-
тате окисления спирта некоторыми плесневыми грибами. Образуется при дыха-
нии в'цикле Кребса (см. с. 214).
Щавелевоуксусная кислота НООС—СО—СН2—СООН — важный проме-
жуточный продукт цикла Кребса, связывающий между собой превращения угле-
водов и аминокислот. Играет важную роль в биосинтезе аспарагиновой кислоты,
аланина и аспарагина. Найдена во многих растениях.
Алъфа-кетоглютаровая кислота НООС—СО—СН2—СН2—СООН, как и
щавелевоуксусная кислота, является важным промежуточным продуктом
цикла Кребса; участвует в образовании глютаминовой кислоты и глютамина.
Обнаружена во многих растениях. В растениях обнаружен ряд производных
а-кетоглютаровой кислоты, например у-метилен-а-кетоглютаровая кислота:
НООС—С=(СН2)—СН2—СО—СООН и у-окси-а-кетог лютаровая кислота
НООС—СН(ОН)—СН2—СО—СООН.
Я блочная (оксиянтарная) кислота НООС—СН2—СН(ОН)—СООН чрез-
вычайно широко распространена в растениях; преобладает в рябине, барбарисе
(до 6%), кизиле, яблоках (вообще в семечковых и в косточковых плодах). Яб-
226
лочная кислота содержится в плодах томатов, семенах злаков и бобовых, а так-
же в листьях. В растениях табака и махорки — до 6,5%. Большие количества
яблочной кислоты накапливаются в вегетативных органах сочных растений —
суккулентов — молодила, агавы, кактусов. Например, у агавы и молодила яб-
лочная кислота составляет до 8—10% сухого вещества. Отсутствует в плодах цит-
русовых и в клюкве. Яблочная кислота имеет приятный вкус и безвредна для
организма человека. Она применяется при изготовлении фруктовых вод и не-
которых кондитерских изделий. Образуется в цикле Кребса.
Винная (диоксиянтарная) кислота НООС—СН(ОН)—СН(ОН)—СООН встре-
чается в растениях в виде оптически активной D-винной кислоты, а также в виде
рацемической DL-винной, или виноградной, кислоты. Встречается преимущест-
венно в растениях более южных широт. В значительном количестве D-винная
кислота содержится в винограде вместе с L-яблочной и виноградной кислотами.
В других плодах и ягодах D-винная кислота либо содержится в весьма незначи-
тельном количестве, либо отсутствует. При изготовлении и выдержке виноград-
ных вин получаются значительные количества отходов в виде винного камня (кре-
мортартара), который представляет собой кислую калиевую соль винной кислоты
НООС—СН(ОН)—СН(ОН)—COOK. Винная кислота и винный камень широко
применяются при производстве фруктовых вод, для изготовления химических
разрыхлителей теста, в текстильной промышленности при изготовлении про-
травы и красок, в медицине. В радиопромышленности и при количественном
определении сахара применяется сегнетова соль — двойная калий-натриевая
соль винной кислоты КООС—СН(ОН)—СН(ОН)—COONa.
С винной и виноградной кислотами были проведены классические исследо-
вания Луи Пастёра, выяснившего природу рацемических соединений и разрабо-
тавшего методы их разделения на составляющие их оптические изомеры.
Фумаровая кислота НООС—СН=СН—СООН найдена в некоторых расте-
ниях (хохлатка и маковые), в лишайниках и во многих грибах.
Плесневый гриб Aspergillus fumaricus при сбраживании сахара образует
до 60—70% фумаровой кислоты — промежуточного продукта цикла Кребса и
исходного метаболита биосинтеза аспарагиновой кислоты бактериями.
Лимонная кислота очень широко распространена в растениях. В растениях
южных широт ее содержание выше, чем в северных. В ягодах — смородине, ма-
лине, землянике — лимонная кислота преобладает над яблочной. В плодах
цитрусовых содержится главным образом лимонная кислота (в лимонах до 9%
сухой массы). Значительное количество лимонной кислоты содержится в листьях
и стеблях махорки — до 7—8% от сухой массы (А. А. Шмук).
Лимонная кислота может быть получена при выращивании некоторых пле-
сневых грибов из родов Aspergillus и Penicillium на растворах сахаров. Исходя
из этого, С. П. Костычев и В. С. Буткевич разработали способы заводского по-
лучения лимонной кислоты биохимическим путем с помощью гриба Aspergillus
niger. Она широко применяется в пищевой промышленности, а также в качестве
консерванта при переливании крови.
Изолимонная кислота содержится в довольно значительных количествах
в суккулентах. Например, молодые листья Bryophyllum calycinum1 содержат до
18% изолимонной кислоты (от их сухой массы). В ягодах ежевики изолимонная
кислота составляет 2/3 всех органических кислот.
Цис-аконитовая кислота найдена в заметных количествах в растениях
аконита (Aconitum), от которого и получила свое название. Довольно широко
распространена в растениях.
1 Bryophyllum calycinum — травянистое растение из семейства толстянковых (Crassu-
laceae), часто разводимое в оранжереях.
8* 227
Лимонная, изолимонная и quc-аконитовая кислоты играют существенную
роль в качестве важных метаболитов цикла Кребса.
СООН
сн2—СООН сн2—соон сн2
1 но—с—соон 1 1 н-с-соон с-соон
1 сн2-соон 1 II но—сн-соон сн 1 соон
Лимонная кислота Изолимонная кислота Цис-аконитовая кислота
Кроме упомянутых выше органических кислот в растениях содержатся так-
же многие другие кислоты — продукты окисления сахаров (например, глюко-
новая, глюкуроновая и аскорбиновая кислоты). Содержатся в растениях также
циклические органические кислоты, которые будут рассмотрены в разделе, по-
священном гидроароматическим и фенольным соединениям.
Рассмотрение химизма процесса дыхания (см. гл. VI) ясно показало, что
органические кислоты образуются в процессе дыхания растений и представляют
собой продукты неполного окисления сахара. Вместе с тем органические кисло-
ты — исходный строительный материал для синтеза самых различных соеди-
нений — углеводов, аминокислот и жиров.
ОБМЕН ОРГАНИЧЕСКИХ КИСЛОТ У НИЗШИХ РАСТЕНИЙ
Образование и превращение органических кислот весьма детально исследо-
вано у микроорганизмов — бактерий и особенно у плесневых грибов. Это объяс-
няется тем обстоятельством, что многие из органических кислот, образуемых
бактериями и плесневыми грибами, играют важную роль в различных отраслях
промышленности, в частности в пищевой. Таковы, например, лимонная, фума-
ровая, глюконовая, молочная, итаконовая *и уксусная кислоты. Необходимость
разработки наиболее эффективных промышленных схем производства этих орга-
нических кислот послужила причиной интенсивного экспериментального иссле-
дования условий их образования и превраще-
Владимир Степанович Буткевич
(1872—1942)
ния под влиянием жизнедеятельности микроор-
ганизмов.
Большие успехи в изучении обмена органи-
ческих кислот у низших растительных организ-
мов связаны с именами выдающегося советско-
го биохимика — профессора В. С. Буткевича,
известного польского исследователя Т. Хшон-
ща, французского ученого М. Мойара и рабо-
тавшего в Праге К. Бернгауэра.
Интенсивное изучение образования органи-
ческих кислот плесневыми грибами началось в
конце прошлого столетия, после того как К. Ве-
меру в 1891 г. удалось показать, что многие
плесневые грибы, культивируемые на сахарных
растворах или на пептоне, образуют значитель-
ные количества лимонной и щавелевой кислот.
Позднее было установлено, что в культурах
плесневых грибов образуются также фумаровая,
глюконовая, янтарная, яблочная и другие орга-
нические кислоты.
228
В связи с большим значением лимонной кислоты в пищевой промышленнос-
ти, а также вследствие ее применения в качестве консерванта при переливании
крови условия ее образования и превращения культурами плесневых грибов были
изучены особенно детально.
Лимонную кислоту образуют многие плесневые грибы, принадлежащие к
родам Rhizopus, Aspergillus, Penicillium и др. Опыты Буткевича и его сотрудни-
ков показали, что при определенных условиях лимонная кислота образуется
в количестве 90—100% от взятого сахара.
Решающими факторами, от которых зависит образование лимонной кислоты
в культурах плесневых грибов, являются подходящий штамм гриба и достаточ-
ная аэрация культуры. Благоприятное влияние кислорода на образование ли-
монной кислоты культурами плесневых грибов установлено при культивирова-
нии последних в атмосфере чистого кислорода, а также в опытах, в которых при-
менялось усиленное встряхивание или перемешивание культуры. Таким обра-
зом, опыты показали, что лимонная кислота образуется лишь при доступе моле-
кулярного кислорода и, следовательно, ее образование теснейшим образом
связано с процессом дыхания.
Наилучшим исходным веществом для образования лимонной кислоты яв-
ляется сахар. Однако она может образовываться в значительных количествах
также и из других веществ, являющихся продуктами диссимиляции сахара (лег-
ко образуется из солей уксусной кислоты, а также из этилового спирта). Плесне-
вой гриб Aspergillus niger превращает аконитовую кислоту в лимонную с выхо-
дом, равным 25%; при этом весьма существенно, что эта реакция обратима и гриб
может также образовывать аконитовую кислоту из лимонной. Для многих пле-
сневых грибов доказана возможность накопления значительных количеств ли-
монной кислоты за счет фумаровой, яблочной и янтарной кислот. Вместе с тем
установлено, что плесневые грибы образуют фумаровую и янтарную кислоты
непосредственно из сахара. Например, при культивировании на растворе глю-
козы некоторые плесневые грибы из рода Aspergillus превращают до 80% погло-
щенного сахара в фумаровую кислоту; одновременно образуется также замет-
ное количество янтарной кислоты. Фумаровая и янтарная кислоты под влия-
нием жизнедеятельности плесневых грибов легко образуются из солей уксусной
кислоты и из спирта.
Весьма существенно,1 что фумаровая, яблочная и янтарная кислоты могут
взаимно превращаться друг в друга под влиянием плесневых грибов. Так, в куль-
турах грибов Rhizopus или Мисог, образующих фумаровую кислоту, с возрастом
последняя исчезает, а количество яблочной кислоты, накапливающейся в моло-
дых культурах в небольшом количестве, постепенно возрастает. Обратимое пре-
вращение фумаровой кислоты в яблочную происходит под действием фермента
фумарат-гидратазы. Яблочная кислота легко образуется также в культурах
Aspergillus niger из янтарной кислоты.
Важное значение в процессе образования фумаровой, янтарной, яблочной
и лимонной кислот имеет усвоение плесневыми грибами углекислого газа. На-
пример, гриб Rhizopus nigricans, культивируемый на растворе глюкозы с
углекислым кальцием, в анаэробных условиях образует значительные количест-
ва фумаровой кислоты. Детальные исследования, основанные на точном учете
потребляемых и образующихся веществ, показали, что образование фумаровой
кислоты при этих условиях идет благодаря реакции ферментативного связыва-
ния углекислого газа пировиноградной кислотой под действием пируваткарбо-
ксилазы. Образующаяся в результате этой реакции щавелевоуксусная кислота
дает затем яблочную кислоту, а последняя превращается в фумаровую.
Важное значение реакции ферментативного связывания углекислого газа
с пировиноградной кислотой в процессе образования плесневыми грибами яб-
лочной и фумаровой кислот было доказано с помощью углерода ИС. При культи-
229
вировании гриба Rhizbpus nigricans на средах, содержащих углекислый газ с
изотопным углеродом, образуется фумаровая кислота, также содержащая угле-
род ИС.
Таким образом, ферментативное связывание углекислого газа с пировино-
градной кислотой в цикле Кребса является именно той реакцией, при которой
осуществляется образование четырехуглеродных кислот (щавелевоуксусной,
яблочной, фумаровой и янтарной) из трехуглеродной пировиноградной кислоты,
возникающей на первых этапах диссимиляции гексозы.
Образовавшаяся щавелевоуксусная кислота, вступая далее во взаимодей-
ствие с ацетил-СоА, дает лимонную кислоту (см. с. 214 о цикле трикарбоновых
кислот).
О том, что образование лимонной кислоты плесневыми грибами действитель-
но идет таким образом, свидетельствуют результаты опытов, в которых плесневой
гриб Aspergillus niger культивировали на растворе сахара в присутствии СО2,
меченного радиоактивным углеродом ПС. Образовавшаяся при этом лимонная кис-
лота содержалацэадиоактивный углерод, причем меченый углерод присутствовал
только лишь в карбоксильных группах лимонной кислоты, что свидетельствует
об использовании усвоенного грибом радиоактивного углекислого газа на син-
тез карбоксильных групп щавелевоуксусной и лимонной кислот.
Таким образом, лимонная, яблочная, фумаровая и янтарная кислоты обра-
зуются плесневыми грибами благодаря наличию у них ферментных систем, обе-
спечивающих превращения, входящие в цикл Кребса.
Однако было высказано предположение, что янтарная и фумаровая кислоты
могут синтезироваться микроорганизмами из уксусной кислоты иным путем —
путем конденсации двух молекул уксусной кислоты с отнятием двух атомов водо-
рода. В результате образуется янтарная кислота, которая затем дегидрируется
под действием соответствующей дегидрогеназы и дает фумаровую кислоту:
СН3-СООН — 2Н+ СН2-СООН — 2Н+ СН—СООН
+---------> I ----> II
сн3-соон сн2—соон сн—соон
Образование фумаровой кислоты из этилового спирта происходит благодаря
предварительному окислению спирта в ацетальдегид, который при дальнейшем
окислений дает уксусную кислоту:
— 2Н+ + нон
сн3—СН2ОН —сн3—сно------------> сн3—соон
— 2Н+
Спирт Ацетальдегид Уксусная кислота
Некоторые бактерии из рода Pseudomonas, некоторые штаммы кишечной па-
лочки {Escherichia coli), многие плесневые грибы и высшие растения могут син-
тезировать четырехуглеродные органические кислоты, в частности яблочную
кислоту, из уксусной кислоты в глиоксалатном цикле, благодаря действию фер-
мента малат-синтазы (см. с. 216).
Фумаровая кислота — не единственная ненасыщенная кислота, образуе-
мая плесневыми грибами. Гриб Aspergillus terreus обладает специфической спо-
собностью образовывать из глюкозы ненасыщенную кислоту, по химической
природе близкую к фумаровой и получившую название итаконовой кислоты:
СН2=С—СООН
I
сн2—СООН
Некоторые штаммы Aspergillus terreus превращают в итаконовую кислоту
до 35% глюкозы.
Итаконовая кислота применяется в химической промышленности для синте-
за пластических масс.
230
Некоторые микроорганизмы обладают специфической способностью осу-
ществлять прямое окисление тех или иных органических соединений за счет
кислорода воздуха. При этом не происходит разрыва углеродной цепочки окисля-
емого соединения, и в результате образуются не углекислый газ и вода, а органи-
ческие кислоты, содержащие еще большой запас энергии. Таким образом, при
подобного рода окислительных процессах (неправильно называемых иногдд
«окислительные брожения») выделяется значительно меньше энергии, чем при
дыхании. Типичные примеры таких окислительных процессов — уксуснокислое
и глюконовокислое «брожения».
При уксуснокислом «брожении» этиловый спирт окисляется в уксусную
кислоту уксуснокислыми бактериями. Суммарное уравнение уксуснокислого
«брожения» имеет следующий вид:
сн3—сн2он + о2 = сн3—соон + Н2О
В результате окисления этилового спирта уксуснокислыми бактериями вы-
деляется 117 ккал на одну грамм-молекулу окисленного спирта. Полное окисле-
ние этилового спирта до воды и углекислого газа сопровождается выделением
325 больших калорий. Таким образом, при уксуснокислом «брожении» образует-
ся почти втрое меньше энергии, чем при полном окислении этилового спирта.
Окислив весь имеющийся спирт в уксусную кислоту, уксуснокислые бакте-
рии далее окисляют ее до углекислоты и воды. Подобное переокисление иногда
приводит к значительным потерям при производстве уксуса.
Исследования Г. Бертрана показали, что некоторые микроорганизмы из группы уксус-
нокислых бактерий вызывают окисление многоатомных спиртов: маннита, глицерина, сор-
бита. Так, например, Bacterium xylinum, В. melanogenum и В. suboxydans специфически окис-
ляют в молекуле многоатомного спирта только определенную вторичную спиртовую группу.
Таким образом, в результате окисления из сорбита образуется сорбоза, из маннита — фрук-
тоза, а из глицерина — диокси ацетон.
Окисляемый спирт
Н
I
НОН2С—С—СН2ОН
он
Глицерин
н нон н
1111
НОН2С—С—С—С—С—СН2ОН
1111
он онн он
L-Сорбит
н НОН ОН
нон2с—с—с—с—СН2ОН
1111
онон н н
D-Маннит
Продукт окисления
НОСН2-С-СН2ОН
II
о
Диоксиацетон
НОН н
НОСН2-С—С—i-C-CH2OH
II I I I
ООН н он
L-сорбоза
НОН он
I I I
НОН2С—с—с—с—С-СН2ОН
II I I I
ООН н н
D-Фруктоза
Окислительным «брожением» считают также окисление глюкозы в глюконовую
кислоту, вызываемое некоторыми бактериями и плесневым грибом Aspergillus
niger.
Глюконовая кислота широко применяется в фармацевтической промыш-
ленности и в медицине. Поэтому процесс превращения глюкозы в глюконовую
кислоту, происходящий под влиянием микроорганизмов, исследован довольно
хорошо. Важнейшие факторы, от которых зависит накопление глюконовой кис-
лоты в культурах плесневых грибов — состав питательной среды, доступ воздуха
231
к культуре и штамм применяемого гриба. В. С. Буткевичем, а также Е. Кардо-
Сысоевой установлено, что при выращивании в определенных условиях плесне-
вого гриба на растворах сахарозы 100% последней превращается в глюконовую
кислоту.
Еще в 1904 г. Н. А. Максимов показал, что из мицелия Aspergillus niger
может быть выделен бесклеточный ферментный препарат, производящий окисле-
ние глюкозы, сопровождающееся поглощением кислорода. Фермент получил
название глюкозооксидазы (см. с. 114). Катализируемая глюкозооксидазой реак-
ция окисления глюкозы в глюконовую кислоту сопровождается образованием
перекиси водорода:
СН2ОН—(СНОН)4—СНО + Н2О + О2 -> СН2ОН—(СНОН)4—СООН + Н2О2
Глюкоза Глюконовая кислота
В культуре.плесневого гриба образовавшаяся перекись водорода немедлен-
но разлагается каталазой. Суммарное уравнение окисления грибами глюкозы
в глюконовую кислоту имеет следующий вид:
СН2ОН—(СНОН)4—СНО + 1/2 О2 -> СН2ОН—(СНОН)4—СООН
Образовавшаяся из глюкозы глюконовая кислота под действием культуры
Aspergillus niger может подвергнуться дальнейшему превращению в лимонную
кислоту.
Плесневые грибы способны окислять альдегидную группу не только глю-
козы, но также и других моносахаридов с образованием соответствующих кис-
лот. Так, некоторые штаммы Aspergillus niger на средах, содержащих мел, пре-
вращают до 70% маннозы в аналогичную глюконовой кислоте манноновую
кислоту. Установлено также, что мицелий гриба Fusarium Uni легко окисляет
альдегидную группу пентоз, превращая арабинозу в арабоновую кислоту, а
ксилозу — в ксилоновую кислоту.
Значительный биохимический интерес представляет образование плесневыми грибами
кодзиевой кислоты. Эта кислота образуется в культурах плесневых грибов Aspergillus oryzae
и Aspergillus flavus, применяемых в Японии для изготовления из риса алкогольного напитка,
называемого саке.
Из сопоставления приведенных ниже структурных формул глюкозы и кодзиевой кисло-
ты видно, что последняя могла бы рассматриваться как производное глюкозы, образующееся
в результате отнятия у нее двух молекул воды, а также двух атомов водорода у третьего
углеродного атома:
сй2он
нс—очн
н Ан
Глюкоза
СН2ОН
Кодзиевая
кислота
Однако такое упрощенное представление не соответствует ряду наблюдений. Из этих
наблюдений особенно существенным является то, что кодзиевая кислота легко образуется
из пентоз. Если бы образование кодзиевой кислоты происходило путем описанного выше
прямого дегидратирования и дегидрирования молекулы глюкозы, то из пентоз должна была
бы образоваться аналогичным путем пиромеконовая кислота:
232
Ксилоза
С—О
н< >
С-НС
>11 I
о он
Пиромеконовая
кислота
Однако она не образуется, а получается кодзиевая кислота. Диоксиацетон, глицерин,
глицериновый альдегид, этиловый спирт и другие вещества, содержащие в молекуле мень-
шее число углеродных атомов, чем в молекуле кодзиевой кислоты, все же являются прекра-
сными исходными веществами для образования из них кодзиевой кислоты под влиянием пле-
сневых грибов. Например, плесневый гриб Aspergillus oryzae при культивировании его на
диокси ацетоне превращает около 55% последнего в кодзиевую кислоту. Все эти факты при-
водят к заключению, что кодзиевая кислота образуется синтетическим путем благодаря
конденсации триоз — диокси ацетона или глицеринового альдегида.
В культурах плесневых грибов могут накапливаться значительные количест-
ва щавелевой кислоты. Способность образовывать эту кислоту свойственна са-
мым различным грибам. Наиболее подробно изучено образование щавелевой кис-
лоты в культурах плесневых грибов, принадлежащих к родам Aspergillus, Мисог
и Penicillium. Характерной особенностью процесса образования плесневыми
грибами щавелевой кислоты является то, что она образуется из самых разно-
образных веществ: углеводов, пептона, глицерина, солей уксусной, винной,
янтарной, фумаровой, лимонной, яблочной и других кислот. Основное условие
накопления щавелевой кислоты в культуре плесневого гриба — наличие в среде
свободных оснований, нейтрализующих образующуюся щавелевую кислоту.
Кислая среда препятствует накоплению оксалатов. Влиянием кислотности объ-
ясняется также зависимость между накоплением щавелевой кислоты в культуре
гриба и предоставленным ему источником азота. Щавелевая кислота накапли-
вается в значительных количествах лишь при культивировании грибов на средах,
содержащих физиологически щелочные источники азота — азотнокислый калий,
натрий или кальций. Весьма интенсивное образование щавелевой кислоты при
культивировании плесеней на пептоне объясняется, по-видимому, накоплением
в среде значительного количества аммиака.
Щавелевая кислота —продукт неполного окисления сахара плесневыми
грибами, поэтому может подвергаться дальнейшему окислению с образованием
в конечном счете углекислого газа и воды;
Каков же химизм образования щавелевой кислоты плесневыми грибами?
Прежде всего необходимо отметить, что образование щавелевой кислоты из мно-
жества различных органических соединений свидетельствует о том, что вряд ли
существует единый путь ее образования. Вместе с тем имеющиеся в нашем распо-
ряжении факты указывают на то, что решающую роль в образовании щавелевой
кислоты из сахара играет уксусная кислота. Об этом свидетельствует накопле-
ние чрезвычайно большого количества щавелевой кислоты в культурах плесеней
на солях уксусной кислоты. Например, В. С. Буткевичу и М. В. Федорову уда-
лось показать, что грибы превращают в оксалат до 93—100% присутствующего
в среде ацетата.
По всей вероятности, образование щавелевой кислоты из уксусной происхо-
дит путем окисления последней в гликолевую и далее в глиоксилевую кислоту.
Гликолевая и глиоксилевая кислоты могут быть обнаружены в культурах гриба
Aspergillus niger, развивающегося на солях уксусной кислоты; вместе с тем по-
казано, что плесневые грибы могут окислять гликолевую кислоту в глиоксиле-
233
вую и в щавелевую. Таким образом, этот путь образования щавелевой кислоты
может быть представлен следующим образом:
сн8 СН2ОН сно соон
I “*• I -*• I * I
соон соон соон соон
Уксусная Гликолевая Глиоксилевая Щавелевая
кислота кислота кислота кислота
Возможно, что в культурах плесневых грибов образование щавелевой кис-
лоты из ацетата может идти также путем описанной выше конденсации двух
молекул уксусной кислоты с образованием янтарной кислоты, которая затем
превращается в фумаровую, яблочную и далее в щавелевоуксусную кислоту;
последняя, присоединяя воду, гидролизуется, давая щавелевую и уксусную кис-
лоты.
Таким образом, последовательность образования и превращения кислот при
подобном способе биосинтеза щавелевой кислоты может быть представлена сле-
дующей схемой:
Уксусная янтарная фумаровая яблочная щавелевоуксусная
кислота кислота кислота кислота кислота
щавелевая . уксусная
кислота *” кислота
Имеется еще третий путь —образование щавелевой кислоты из двух моле-
кул муравьиной кислоты:
НСООН — 2Н+ СООН
нсоон соон
Образование щавелевой кислоты этим путем происходит при культивиро-
вании плесневых грибов на муравьиной кислоте и осуществляется благодаря
действию фермента формиатдегидрогеназы (1.2.1.2).
С другой стороны, грибы легко превращают щавелевую кислоту в муравьи-
ную кислоту и углекислый газ:
СООН
I со2 + нсоон
соон
Излагая взгляды об условиях и путях образования органических кислот
микроорганизмами, мы подчеркивали, что кислоты—продукты неполного
окисления сахара. Однако необходимо отметить, что сахар не единственное ис-
ходное вещество для образования органических кислот. Они могут образовы-
ваться и из других соединений различной химической природы. Так, В. С. Бут-
кевич показал, что лимонная кислота легко образуется при культивировании
плесневых грибов на питательных средах, в которых единственным источником
углерода будет хинная кислота. Происходит ли при этом, как предполагал ака-
демик С. П. Костычев, образование гексозы, или же превращение хинной кис-
лоты идет каким-то другим путем, пока неясно. В. С. Буткевичу удалось
установить, что превращение хинной кислоты в лимонную сопровождается на-
коплением веществ фенольного характера.
Органические кислоты образуются в заметных количествах при культиви-
ровании плесневых грибов на пептоне. Этот факт указывает на возможность об-
разования органических кислот из аминокислот. Специальные исследования,
имевшие целью выяснение условий и путей превращения аминокислот под влия-
нием микроорганизмов в органические кислоты, показали, что последние дей-
ствительно могут образовываться таким образом. Так, например, аспарагиновая
234
кислота превращается некоторыми бактериями в фумаровую кислоту; превра-
щение происходит благодаря действию фермента аспартат—аммиак-лиазы
(см. с. 146). Янтарная кислота под влиянием дрожжей может образовываться
из глютаминовой кислоты, фумаровая и щавелевоуксусная —из аспарагино-
вой, а пировиноградная —из аланина.
Таким образом, обмен органических кислот у микроорганизмов теснейшим
образом связан не только с обменом углеводов, но также с превращениями бел-
ковых веществ, ароматических и гидроароматических соединений.
ОБМЕН ОРГАНИЧЕСКИХ КИСЛОТ У ВЫСШИХ РАСТЕНИЙ
Органические кислоты алифатического ряда накапливаются во многих выс-
ших растениях в очень больших количествах. Чаще встречаются у растений ли-
монная, яблочная и щавелевая кислоты. Широко распространенный взгляд о
том, что все высшие растения могут быть разделены в зависимости от преобла-
дающей в них кислоты на лимоннокислые, яблочнокислые и щавелевокислые,
ошибочен. Содержание органических кислот в растениях не может рассматри-
ваться статически, без связи со всем характером обмена веществ у данного расте-
ния, без связи с влиянием внешней среды на накопление и превращение кислот
в растении. Действительно, можно привести ряд примеров, указывающих на
условность подобного рода классификации. Например, апельсинное дерево, в
плодах которого накапливается чрезвычайно большие количества лимонной
кислоты, должно бы быть отнесено к растениям лимоннокислого типа, но этого
сделать нельзя —в листьях его преобладает яблочная кислота. Состав органи-
ческих кислот, содержащихся в растении Bryophylltun calycinum, сильно изме-
няется в течение суток, а также в зависимости от таких факторов, как освещение
и температура. Такие же изменения в составе органических кислот в зависимости
от условий среды происходят и у других растений.
Накопление в растении той или иной кислоты тесно связано со всем комп-
лексом превращений органических кислот во время развития растения, с типом
обмена веществ вообще и его зависимостью от условий внешней среды. Различия
в содержании отдельных органических кислот в данном растении —следствие
различий в соотношении скоростей ферментативных реакций, лежащих в основе
образования и превращения комплекса органических кислот.
Большая группа высших растений, резко выделяющаяся по чрезвычайно
высокому содержанию органических кислот в стеблях и листьях, названа сук-
кулентами. Она объединяет растения, принадлежащие к самым разнообразным
семействам. Все суккуленты имеют мясистые, сочные листья и стебли. Типичные
суккуленты —алоэ, кактусы, бегония, очиток, толстянки.
Высокое содержание органических кислот и глубокие их превращения под
влиянием условий внешней среды позволяют использовать суккуленты для изу-
чения обмена органических кислот.
Уже давно было отмечено, что у суккулентов происходят весьма существен-
ные изменения в содержании органических кислот в течение суток. В этом от-
ношении особенно ярким примером являются изменения, наблюдаемые у Вгуор-
hyllutn calycinum. Утром листья этого растения имеют кислый вкус и содержат
наибольшее количество органических кислот; к полудню и особенно к вечеру их
содержание резко понижается и листья становятся безвкусными, а вечером даже
горькими. Эти изменения в содержании кислот зависят от фотосинтетической
деятельности листа и поэтому тесно связаны с изменениями в содержании угле-
водов, прежде всего крахмала, —уменьшение содержания органических кислот
сопровождается накоплением крахмала, и обратно. Теснейшая взаимосвязь,
наблюдаемая у Bryophyllum в течение суток между содержанием органических
235
Рис. 67. Суточная динамика содержания органи-
ческих кислот (Л) и крахмала (Б) в листьях
Bryophyllum
кислот и содержанием крахмала,
показана на рис. 67 (Г. Виккери
и др.).
Большое влияние на содержа-
ние органических кислот у сукку-
лентов оказывает также темпера-
тура: при температуре 10° С и ни-
же кислоты накапливаются особен-
но интенсивно, а при повышении
температуры до 25—30° С количе-
ство их резко понижается.
Колебания в содержании ор-
ганических кислот и крахмала,
происходящие у суккулентов в те-
чение суток, связаны с изменениями газообмена. При понижении количества
органических кислот выделяется больше углекислого газа, чем поглощается
кислорода, вследствие чего отношение СО2/О2 достигает величин, колеблю-
щихся между 1,35 и 1,70. Наоборот, накопление органических кислот со-
провождается значительным понижением отношения объемов выделяемого
углекислого газа и поглощаемого кислорода. При максимальном образовании
органических кислот отношение СО2/О2 равно 0; в этом случае поглощаются зна-
чительные количества кислорода, а углекислый газ не выделяется совершенно,
так как он используется на синтез органических кислот.
Использование углекислого газа в процесссе биосинтеза кислот у высших
растений очевидно не только из характера изменений отношения СО2/О2, но
также из целого ряда наблюдений, свидетельствующих о том, что накопление
органических кислот у суккулентов зависит от концентрации СО2 в воздухе.
Так, например, по Д. Боннеру, количество органических кислот, накапливаю-
щихся в отделенных от растения и находящихся в темноте листьях Bryophyllum,
связано с концентрацией углекислого газа в воздухе. По мере повышения кон-
центрации СО2 до 0,1% количество образующихся в листе органических кислот
возрастает чрезвычайно сильно; дальнейшее повышение концентрации СО2 вы-
зывает значительно более медленное увеличение содержания кислот (рис. 68).
Органические кислоты, образующиеся в листьях Bryophyllum в темноте при
повышенных концентрациях углекислого газа, так же, как и при естественных
условиях, состоят из лимонной, яблочной и изолимонной кислот. Однако повы-
шение содержания в воздухе СО2 особенно способствует увеличению содержания
в листьях яблочной кислоты.
Зависимость между накоплением органических
кислот в листьях и содержанием, углекислого газа в
воздухе дает возможность объяснить происходящие
в течение суток колебания в содержании органичес-
ких кислот в растении. В темноте в листьях парци-
альное давление углекислого газа, выделяемЬго в
процессе дыхания, возрастает, вследствие чего он бы-
стрее используется на синтез органических кислот.
На свету выделяемый в результате дыхания уг-
лекислый газ немедленно разлагается благодаря про-
цессу фотосинтеза, вследствие чего происходит пони-
жение парциального давления СО2 в тканях и ослаб-
ление интенсивности биосинтеза органических кис-
лот.
Благоприятное влияние пониженных температур
на образование органических кислот у суккулентов
Рис. 68. Влияние концент-
рации СО2 в воздухе на на-
копление органических кис-
лот в листьях Bryophyllum
236
объясняется, по всей вероятности, тем, что при пониженных температурах
растворимость СО2 повышается.
Ускорение биосинтеза органических кислот под влиянием повышенного со-
держания в воздухе углекислого газа, как мы отмечали уже выше, наблюдается
также и у микроорганизмов.
И в том, и в другом случае благоприятное влияние повышенных концентра-
ций СО2 на биосинтез органических кислот объясняется гетеротрофной фикса-
цией углекислого газа на кетокислотах, подобной ферментативному синтезу
щавелевоуксусной кислоты из СО2 и пировиноградной кислоты (см. с. 149).
Участие этих ферментных систем в биосинтезе органических кислот у высших
растений будет рассмотрено ниже.
Однако благоприятное влияние повышенных концентраций СО2 на образо-
вание органических кислот удается наблюдать только лишь у суккулентов.
Так же, как и у плесневых грибов, очень большое влияние на накопление
органических кислот у высших растений оказывает характер азотистого пита-
ния. И в том, и в другом случае зависимость одна и та же — питание физиологиче-
ски кислыми аммонийными солями приводит к значительному понижению на-
копления органических кислот, в то время как нитраты оказывают обратное
действие. Эта зависимость хорошо иллюстрируется данными А. В. Владимирова,
полученными при изучении влияния форм азота на химический состав листьев
махорки:
Форма азота
Аммоний .............
Нитрат...............
Общая кислот-
ность, миллиэкв.
на 100 г воздушно-
сухого вещества
141,2
270,9
Лимонная кисло-
та, % на воздуш-
но-сухое вещество
листа
0,50
3,24
Аналогичные данные были получены при питании различными источниками
азота у табака, томатов, бегонии, Bryophyllum calycinum.
Опытысвакуум-инфильтрацией в листья махорки аммонийных солей и нитра-
тов также показали благоприятное влияние нитратов и понижение содержания
лимонной кислоты при инфильтрации аммонийных солей.
По-видимому, стимулирующее действие нитратов на образование органиче-
ских кислот у высших растений связано с тем, что накапливающиеся в тканях
катионы, остающиеся в избытке после усвоения растением иона азотной кислоты,
нейтрализуя органические кислоты, способствуют их, накоплению в растении.
Необходимо отметить, что условия внешней среды оказывают существенное
влияние не только на общее содержание в растении органических кислот, но
также на их качественный состав. Так, в растениях Bryophyllum, развивающих-
ся в тени, накапливается меньше лимонной кислоты, чем у таких же растений,
выросших при достаточно хорошем освещении. Большое влияние на соотноше-
ние органических кислот оказывает также характер минерального питания
растений. Так, М. П. Пятницким установлено, что введение в листья табака
путем засасывания через черешки ионов магния приводит к повышению содер-
жания в листьях лимонной кислоты и понижению содержания яблочной кисло-
ты. По всей вероятности, ион магния является активатором ферментной системы,
катализирующей превращение яблочной кислоты в лимонную.
Каким же образом мы можем в настоящее время представить себе химизм
образования органических кислот в высших растениях?
Имеющийся экспериментальный материал определенно свидетельствует о
том, что образование органических кислот как у низших, так и у высших растений,
связано с процессом дыхания и диссимиляцией углеводов. Ранее приводились
результаты исследований изменения содержания органических кислот и крах^
237
мала у Bryophyllutn, из которых очевидно, что превращения органических кис-
лот неразрывно связаны с превращениями углеводов. Весьма убедительные дан-
ные, свидетельствующие о том, что источником образования органических кислот
в высших растениях являются сахара, были получены О. Ю. Соболевской и
В. С. Буткевичем. Путем вакуум-инфильтрации они вводили в листья махорки
стерильный раствор глюкозы; в контрольных опытах в листья инфильтрировалась
стерильная вода. Затем инфильтрированные листья выдерживали в течение опре-
деленного времени в камере с влажным воздухом, после чего в них определяли
лимонную кислоту. Опыты показали, что инфильтрация глюкозы в листья резко
стимулировала образование в них лимонной кислоты:
Листья
Молодые
»
Спелые
»
Вариант опыта
Опыт
Контроль
Опыт
Контроль
Прирост лимонной кислоты,
% от исходной величины
-4-119,4
-4-18,9
-4-159,3
-4-89,4
Как уже указывалось выше, процесс образования органических кислот у
растений является следствием окислительной диссимиляции сахаров. В этом
процессе играют важную роль ферментативные превращения, входящие в цикл
трикарбоновых кислот. В пользу этого предположения говорят эксперимен-
тальные данные, полученные при изучении химизма образования органических
кислот в высших растениях.
В растении отдельные органические кислоты могут легко превращаться друг
в друга. Так, при томлении и сушке табачных листьев содержание в них яблочной
кислоты значительно уменьшается, а лимонной соответственно увеличивается.
Такая же картина наблюдается при выдерживании живых табачных листьев в
темноте. Это ясно видно из данных Г. Виккери, приведенных в табл. 9.
Таблица 9
Изменение содержания органических кислот в листьях табака
в темноте за 48 часов (в мэкв на кг сырой массы)
Кислоты Исходная величина После 48 часов в темноте Изменение
Щавелевая 26,8 28,2 + 1,4
Лимонная 43,1 92,6 +49,5
Яблочная 215,0 159,3 -55,7
Неизвестные кислоты 79,9 94,4 + 14,5
Сумма органических кислот 364,0 373,7 +9,7
Обратное превращение лимонной кислоты в яблочную, по данным С. М. Про-
кошева и Е. И. Петроченко, наблюдается при определенных условиях в клубнях
картофеля.
Так как реакции цикла трикарбоновых кислот играют важную роль в обра-
зовании и превращении органических кислот у высших растений, пировиноград-
ная кислота, образующаяся на первых стадиях диссимиляции гексоз, должна
служить исходным соединением для синтеза органических кислот. Опыты пока-
зали, что, действительно, инфильтрация солей пировиноградной кислоты в листья
суккулентов усиливает биосинтез органических кислот.
Уксусная кислота, образующаяся в результате окислительного декарбокси-
лирования пировиноградной кислоты и играющая важную роль в синтезе ли-
монной кислоты, чрезвычайно легко усваивается высшими растениями. Это по-
238
казано с помощью опытов, в которых ацетат, содержавший в карбоксильной
группе изотопный углерод, поглощался в темноте срезанными листьями табака.
Оказалось, что ацетат используется на синтез самых различных соединений,
входящих в состав листа. Выделение листьями углекислого газа, содержавшего
меченый углерод, указывает на то, что ацетат вовлекается в цепь реакций, лежа-
щих в основе дыхания.
На существование в высших растениях превращений и реакций цикла три-
карбоновых кислот указывают опыты, в которых ткани растений обогащались
теми или иными органическими кислотами. Такие опыты были поставлены
Д. М. Михлиным и А. Н. Бахом, а также М. П. Пятницким. Д. М. Михлин и
А. Н. Бах путем вакуум-инфильтрации вводили в листья махорки различные
органические кислоты и их смеси. Наиболее интенсивное образование лимонной
кислоты в листьях происходило при инфильтрации смеси щавелевоуксусной и
пировиноградной кислот. Подобный результат может быть легко объяснен, если
в соответствии с циклом трикарбоновых кислот принять, что лимонная кислота
образуется путем конденсации щавелевоуксусной кислоты и ацетил-СоА, образую-
щегося при окислительном декарбоксилировании пировиноградной кислоты.
В опытах Д. М. Михлина и А. Н. Баха значительное увеличение образо-
вания лимонной кислоты наблюдалось также при инфильтрации в листья янтар-
ной кислоты, являющейся важным звеном в цикле трикарбоновых кислот.
Весьма показательные данные были получены М. П. Пятницким, работав-
шим с листьями табака (Nicotiana tabacum) и махорки (Nicotiana rustlca). Он по-
казал, что при засасывании через черешки в находящиеся в темноте листья кали-
евых солей яблочной, фумаровой, янтарной и винной кислот первые три сильно
увеличивали образование лимонной кислоты, в то время как винная кислота
подобного влияния не оказывала.
Точно так же Г. Виккери было показано, что при культивировании листьев
табака в темноте на растворах изолимонной кислоты, меченной радиоактивным
углеродом, около 40% ее превращается в лимонную кислоту.
Таким образом, данные, полученные в опытах Г. Виккери, Д. М. Михлина,
А. Н. Баха и М. П.Пятницкого, весьма наглядно свидетельствуют о легкости
взаимных превращений в растении органических кислот, а также о том, что они
образуются в нем благодаря реакциям цикла трикарбоновых кислот.
Весьма важные факты, свидетельствующие о том, что в образовании орга-
нических кислот в растениях первостепенную роль играют ферментативные ре-
акции цикла трикарбоновых кислот, были получены также при изучении влия-
ния углекислого газа на интенсивность накопления органических кислот в ра-
стениях. Повышение содержания в воздухе углекислого газа весьма способст-
вует накоплению органических кислот в листьях.
Объяснение этому факту мы находим в том, что высшие растения так же,
как и микроорганизмы, способны к гетеротрофной фиксации углекислоты. До-
казательством этого является нахождение в высших растениях ферментных си-
стем, катализирующих присоединение СО2 к различным кетокислотам. Напри-
мер, в пшеничных зародышах, свекле, шпинате, моркови, корне петрушки и сель-
дерея, в горохе найдена пируваткарбоксилаза, катализирующая реакцию обра-
зования щавелевоуксусной кислоты из пировиноградной кислоты и углекислого
газа (см. с. 149).
В пшеничных зародышах, в листьях Kalanchoe crenata и различных видов
Sedum найден фермент, получивший название малатдегидрогеназы (декарбо-
ксилирующей) (1.1.1.40) и катализирующий реакцию
Мп2+
СН9—СО—СООН 4- СО2 4- NADPH 4- Н+ СООН-СН2—СН(ОН)—СООН 4- NADP+
Вместе с тем в ряде растений, в том числе в Kalanchoe crenata, найден фер-
239
Рис. 69. Влияние концент-
рации СО2 на скорость на-
копления яблочной кислоты
в листьях суккулента в тем-
ноте (/), скорость карбок-
силирования фосфоенолпи-
рувата (2) и скорость на-
копления яблочной кислоты
под действием малатдегтд-
рогеназы (декарбоксилиру-
ющей) (3)
мент фосфоенолпируваткарбоксилаза (4.1.1.31), кото-
рый катализирует реакцию карбоксилирования фос-
фоенолпировиноградной кислоты с образованием ща-
велевоуксусной кислоты (см. с. 286). По-видимому,
эта реакция является наиболее важной при синтезе
яблочной кислоты у суккулентов.
Наконец, из растений выделена изоцитратдегид-
рогеназа, которая катализирует образование изоли-
монной кислоты из а-кетоглютаровой кислоты и СО2
(см. с. 286).
Каково реальное значение каждой из этих реак-
ций в обмене веществ того или иного растения — по-
ка трудно сказать. Однако у суккулентов, у которых
углекислый газ используется на карбоксилирование
кетокислот и синтез яблочной кислоты, по-видимому,
особенно важную роль играет вышеуказанная реак-
ция карбоксилирования фосфоенолпировиноградной
кислоты. Это ясно из рис. 69, на котором показа-
но влияние концентрации углекислого газа на отно-
сительную скорость накопления в темноте яблочной
кислоты в листьях суккулентов, карбоксилирование
фосфоенол пир увата и образование яблочной кислоты
под действием малатдегидрогеназы (декарбоксилиру-
ющей). Ход кривой, характеризующей влияние кон-
центрации СО2 на накопление яблочной кислоты в листьях, сходен с ходом
кривой реакции карбоксилирования фосфоенолпирувата, в результате которой
образуется щавелевоуксусная кислота, а из нее путем восстановления —яблоч-
ная кислота.
Что касается щавелевой кислоты, накапливающейся в некоторых растениях
в очень больших количествах (до 26% на сухое вещество),то пути ее образования
недостаточно исследованы. Наиболее вероятен путь, исходящий из уксусной
кислоты и заключающийся, так же как и у плесневых грибов (см. с. 234), в по-
следовательном окислении уксусной кислоты в гликолевую, последней—в
глиоксилевую и глиоксилевой — в щавелевую. В листьях ряда растений открыты
ферменты, окисляющие а-оксикислоты — молочную и гликолевую, а также гли-
оксилевую кислоту. При этом из глиоксилевой кислоты образуется щавелевая
кислота. Щавелевая кислота может образовываться также и из соединений,
участвующих в реакциях цикла трикарбоновых кислот. Таким соединением мо-
жет быть изолимонная кислота, которая под действием фермента изоцитрат-лиазы
(см. с. 147) распадается на янтарную и глиоксилевую кислоты, а эта последняя
окисляется, по-видимому, гликолатоксидазой (см. с. 113) до щавелевой кис-
лоты.
Часто высказывается мнение, что щавелевая кислота, хотя и накапливается в растениях
в очень больших количествах, не участвует далее в обмене веществ и представляет собой от-
брос. Однако подобному представлению противоречит ряд фактов. Например, у ревеня (Rheum
hybridum) весной происходит перетекание щавелевой кислоты из корневища в листья;
позже начинается обратный ее отток из листьев в корневища. У многих растений можно
также наблюдать растворение кристаллов щавелевокислых солей в листьях, стеблях, семе-
нах и корнях на определенных этапах развития растений. Наконец, на то, что щавелевая
кислота может подвергаться дальнейшим превращениям в обмене веществ, указывает также
факт нахождения в ряде растений фермента, катализирующего окисление щавелевой кислоты
кислородом воздуха. Этот фермент был открыт в 1911 г. В. К- Залесским в пшеничной муке
и назван им оксалазой. Впоследствии было показано его присутствие во многих растениях;
особенно активным он оказался в тканях некоторых мхов и растений, содержащих значи-
тельные количества щавелевой кислоты, — ревеня, шпината и др. Оксалаза, которая в на-
стоящее время называется оксалатоксидазой (1.2.3.4), катализирует реакцию Н2С2О4 +
240
4- 02 = Н2О2 + 2СО2; образующаяся при этом перекись водорода немедленно разлагается
каталазой.
Щавелевая кислота может подвергаться в высших растениях также декарбоксилиро-
ванию под действием соответствующей ферментной системы, найденной, например, в листьях
подсолнечника и сахарной свеклы, в проростках гороха. В результате образуются углекис-
лый газ и муравьиная кислота. Действие этой ферментной системы осуществляется при
участии АТР, коэнзима А и ионов магния:
Mg2+; АТР
оксалат 4- кофермент А -----> оксалилкофермент А
оксалилкофермент А СО2 4- формилкофермент А
формилкофермент А муравьиная кислота 4- кофермент А
Образующаяся в результате декарбоксилирования щавелевой кислоты муравьиная
кислота, в свою очередь, окисляется формиат дегидрогеназой, которая содержится во многих
растениях и особенно активна в семенах фасоли. Факт нахождения в растениях фермента,
вызывающего окислительный распад муравьиной кислоты, указывает на то, что муравьиную
кислоту так же, как и щавелевую, нельзя рассматривать как «отброс» обмена веществ.
Выше указывалось (с. 226), что во многих растениях содержится малоно-
вая кислота. In vitro она является ингибитором сукцинатдегидрогеназы, дейст-
вующим по принципу конкурентного торможения.
При введении в растения малоната, меченного радиоактивным углеродом,
последний обнаруживается в кислотах, участвующих в цикле трикарбоновых
кислот. Таким образом, малон!т усваивается и перерабатывается растениями.
При этом малонат при участии кофермента А превращается в ацетил-СоА:
АТР, СоА Mg2+
Малонат-------->- малонил-СоА --> ацетил-СоА 4- СО2.
Образовавшийся таким путем ацетилкофермент А далее включается в цикл
трикарбоновых кислот.
Вместе с тем малонил-СоА играет важнейшую роль в качестве промежуточно-
го продукта при синтезе жирных кислот (см. с. 259).
Малоновая кислота образуется в растениях из щавелевоуксусной кислоты
путем ее окислительного декарбоксилирования:
Щавелевоуксусная кислота 4-1/2 О2 -> малонат 4- СО2
Ферментный препарат, катализирующий эту реакцию, выделен в очищенном
состоянии из корней фасоли.
Неясным является происхождение в растениях винной кислоты, накапли-
вающейся в некоторых плодах в очень больших количествах. Вопрос о путях
ее образования представляет значительный интерес для экспериментальных ис-
следований. С помощью изотопной методики показано, что винная кислота может
образовываться в растениях из L-аскорбиновой кислоты.
Органические кислоты содержатся в значительных количествах и играют
чрезвычайно важную роль в обмене веществ созревающих плодов. Общеизвестно,
что по мере созревания кислотность плодов понижается. Это связано, как прави-
ло, с уменьшением содержания органических кислот. Весьма наглядные данные,
характеризующие это положение, были получены при исследовании изменений
в содержании органических кислот при созревании винограда, яблок и слив.
Однако не всегда количество органических кислот в созревающих плодах
постепенно уменьшается. Например, в созревающих ананасах содержание кислот
возрастает, причем это возрастание идет параллельно с возрастанием количества
сахаров. По данным А. Л. Курсанова, также изменяется содержание кислот
в созревающих плодах японской мушмулы. Происходящие при созревании пло-
дов изменения в содержании органических кислот тесно связаны с изменениями
дыхательного газообмена. Так, на ранних фазах созревания яблок дыхательные
241
коэффициенты значительно выше единицы и понижаются по мере созревания пло-
дов и уменьшения содержания яблочной кислоты; одновременно возрастает на-
копление сахара и резко уменьшается содержание крахмала.
ЛИТЕРАТУРА
Гулый М. Ф., Билай В. И., Подопличко Н. М., Дегтярь Р. Г. и Никольская Е. А.
Фермент глюкозооксидаза и его применение. Киев, 1964.
Романов В. И. Физиологическая роль и метаболизм поли-0-оксимасляной кислоты у
микроорганизмов. — Успехи биологической химии, т. 18, с. 211, 1977.
Солдатенков С. В. Обмен органических кислот у растений. М., 1971.
Фостер Д. Химическая деятельность грибов. М., 1950.
Шмук А. А., Медников А. И. и Малов М. К. Производство никотина и лимонной кис-
лоты из махорочного сырья. М., 1948.
Burris R. A. Organic Acids in Plant Metabolism. «Annual Rev. Plant Physiol.», 4, 91,
1953.
Osmond С. B. Crassulacean Acid Metabolism: a Curiosity in Context. «Annual Rev. Plant
Physiol.», 29, 379, 1978.
Walker D. A. Carboxylation in Plants. «Endeavour», 25, 21, 1966.
Zelitch I. Organic Acids and Respiration in Photosynthetic Tissues. «Annual Rev. Plant
Physiol.», 15, 121, 1964.
Глава VIII
ЛИПИДЫ И ИХ ОБМЕН
СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА ЛИПИДОВ И РАСТВОРИМЫХ В ЖИРАХ ПИГМЕНТОВ
Жиры и вещества, обычно называемые липоидами, объединяют в одну груп-
пу; их общее свойство — гидрофобность и нерастворимость в воде. В настоящее
время жиры и жироподобные вещества (липоиды) объединяют общИхМ термином
липиды. Вещества этой группы весьма различны по химической природе, но все
растворяются в органических растворителях: эфире, бензине, бензоле, хлоро-
форме. Характерная особенность таких растворителей, так же как и веществ,
принадлежащих к указанной группе, — высокое содержание в них гидрофобных
радикалов и группировок.
К этой группе липидов могут быть отнесены также и растворимые в жирах
пигменты: каротиноиды и хлорофиллы.
Липиды играют чрезвычайно важную роль в организме. Жиры —важней-
шее запасное вещество, накапливающееся в значительных количествах в жи-
вотном организме, некоторых плодах и семенах, в микроорганизмах. Воска иг-
рают защитную роль, покрывая поверхность листьев и плодов. Фосфолипиды,
гликолипиды и стероиды — важнейшие компоненты биологических мембран,
окружающих протоплазму и содержащиеся в ней субклеточные структуры:
ядро, митохондрии, пластиды, лизосомы. Хлорофилл и каротиноиды участвуют
в процессе фотосинтеза.
Изучаемые в этой главе вещества подразделяются на группы, различаю-
щиеся по химическому составу, строению и функции, выполняемой в живой
клетке: жиры, воска, фосфолипиды, гликолипиды, сульфолипиды, стероиды.
К группе липидов относят также хлорофиллы и каротиноиды, нерастворимые
в воде, но растворимые в неполярных растворителях (хлороформе, углеводородах,
спиртах).
Жиры
Жиры —запасные вещества, накапливающиеся в очень больших количест-
вах в семенах и плодах многих растений, используемых в жировой промышлен-
243
ности для получения растительных жиров (масел). Среднее содержание жира в
семенах и плодах важнейших культурных растений следующее:
Культура Содержание
жира, %
Соя....................... 20
Арахис ................... 49
Подсолнечник............ 24—38
Лен....................... 29
Конопля................... 30
Хлопчатник................ 23
Горчица................. 29—36
Клещевина................. 60
Культура Содержание
жира, %
Кунжут.................... 53
Мак....................... 45
Маслина................... 50
Пшеница, рожь, ячмень 2
Кукуруза................... 5
Горох, фасоль.............. 2
По химическому строению жиры —смесь сложных эфиров (глицеридов)
трехатомного спирта глицерина и высокомолекулярных жирных кислот и по-
строены по типу
О
СН2—О—С—Ri
О
П 7
h-o-c-r2
о
сн2—о—с—r3
где Rb R2, R3 — радикалы жирных кислот.
Жирные кислоты, наиболее часто входящие в состав жиров, следующие:
пальмитиновая СН3 — (СН2)14— СООН, 16:0;
стеариновая СН3— (СН2)16 — СООН, 18: 0;
арахиновая СН3 — (СН2)18—СООН, 20:0;
бегеновая СН3 — (СН2)20 — СООН, 22 : 0;
олеиновая СН3 —(СН2)7 —СН = СН —(СН2)7 —СООН, 18: 1(9);
линолевая СН3 —(СН2)4 —СН =СН —СН2 —СН = СН —(СН2)7 —СООН, 18:
: 2(9, 12);
линоленовая СН3 — СН2 — СН = СН — СН2 — СН-СН — СН2 — СН = СН —
— (СН2)7 —СООН, 18:3(9, 12, 15).
Формулы дополнены символами. Первая цифра обозначает число углерод-
ных атомов в молекуле жирной кислоты, вторая — число двойных связей; в
скобках указан порядковый номер углеродного атома (начиная с карбоксильного),
у которого находится двойная связь.
Все жирные кислоты, входящие в состав жиров, делят на две группы: насы-
щенные, tj е. не содержащие двойных связей, и ненасыщенные, или непредельные,
содержащие двойные связи.
Из приведенных выше формул видно, что к насыщенным кислотам принад-
лежат пальмитиновая, стеариновая, арахисовая и бегеновая кислоты, а к не-
насыщенным — олеиновая, линолевая и линоленовая кислоты. Весьма сущест-
венно, что встречающиеся в растительных маслах жирные кислоты обычно со-
держат четное число углеродных атомов.
Свойства жиров определяются качественным составом жирных кислот,
их количественным соотношением, процентным содержанием свободных, не свя-
занных с глицерином жирных кислот, соотношением различных глицеридов
и т. п.
Растительные жиры или масла богаты непредельными жирными кислотами,
поэтому в подавляющем большинстве случаев они являются жидкими при обык-
%
244
новенной температуре. Например, оливковое масло представляет собой в основ-
ном триолеат, т. е в нем все три гидроксильные группы глицерина связаны с
остатками олеиновой кислоты. Животные жиры при обыкновенной темпера-
туре — твердые, так как содержат главным образом насыщенные жирные кис-
лоты. Например, говяжье сало состоит в основном из глицеридов пальмитиновой
и стеариновой кислот. Среди растительных жиров твердые при обыкновенной
температуре кокосовое масло (температура плавления 20—28° С) и масло бобов
какао (температура плавления 30—34° С). В состав последнего входят в основ-
ном пальмитиновая (35%) и стеариновая (40%) кислоты. Ниже показано содер-
жание важнейших жирных кислот в некоторых жирах (в % к их общему коли-
честву):
Кислота Хлопко- вое масло Соевое масло Подсол- нечное масло Оливковое масло Кукуруз- ное масло Льняное масло
Пальмитиновая 20 6 9 1 о
Стеариновая 2 4 9 2
Олеиновая 31 22 39 82 24 19
Линолевая 40 49 46 4 61 16
Линоленовая 10 — — — 52
Масла некоторых растений содержат значительные количества специфиче-
ских жирных кислот, характерных именно для данных растений. Так, масла
растений из семейства крестоцветных — рапса и горчицы — содержат от 42 до
55% ненасыщенной эруковой кислоты:
СН3—(СН2)7-СН=СН-(СН2)П-СООН
Масло клещевины содержит рицинолевую кислоту — оксикислоту, имею-
щую гидроксильную группу у 12-го углеродного атома:
СН3-(СН2)5-СН(ОН)-СН2-СН=СН-(СН2)7-СООН
Масло плодов тунгового дерева — ценное сырье для лакокрасочной промыш-
ленности, приблизительно на 80% состоит из олеостеариновой кислоты, имеющей
следующее строение:
СН3-(СН2)3—СН=СН-СН=СН-СН=СН-ГСН2)7—СООН
Своеобразная конфигурация олеостеариновой кислоты придает тунговому маслу
специфические свойства — способность к полимеризации и затвердеванию при
нагревании выше 282° С.
Плоды некоторых тропических деревьев и кустарников, принадлежащих к семейству
Flacourtiaceae, содержат масла, в состав которых входят две ненасыщенные жирные кислоты,
имеющие циклическое строение:
* сн=сн
Гиднокарповая кислота | \>СН—(СН2)10—СООН
, сн2-сн2
сн=сн
Хаульмугровая кислота | ^>СН—(CH2)i2— СООН
СН2-СН2
Наличием гиднокарповой и хаульмугровой кислот в маслах указанных выше тропиче-
ских растений объясняется лечебное действие этих масел, применяемых для лечения проказы.
Гиднокарповая и хаульмугровая кислоты оказывают также угнетающее действие на разви-
тие туберкулезной бактерии.
В мембранах хлоропластов растений и в некоторых фотосинтезирующих
бактериях найдены заметные количества глицеридов, которые наряду с остатками
245
глицерина и жирной кислоты содержат также один, два или более остатков са-
харов. Примером таких гликолипидов может служить дигалактозилмоноглице-
рид:
Дигалактозилмоноглицерид содержит почти исключительно линоленовую кис-
лоту.
В хлоропластах зеленой одноклеточной водоросли Chlorella и высших ра-
стений содержится глицерид, состоящий из двух остатков жирных кислот, гли-
церина и сульфоглюкозы. Этот растительный сульфолипид имеет следующее стро-
ение:
Н2С—SO3H
hJ-—<Хн
Кон ни
мп\1 сн2
н но нс о—со—q7H29
Н2(^О—СО—С15Н31
Имеющиеся экспериментальные данные указывают на то, что галактолипи-
ды и сульфолипид играют важную роль в структуре мембран хлоропластов.
Жидкие растительные масла превращают в твердые жиры путем гидроге-
низации, которая заключается в присоединении водорода по месту двойных свя-
зей непредельных жирных кислот. Гидрогенизацию производят с помощью спе-
циальных катализаторов. Гидрогенизованные растительные масла широко ис-
пользуют в пищевой промышленности для изготовления маргарина.
При действии кислот и щелочей на жиры происходит расщепление сложно-
эфирной связи — так называемое омыление жира, сопровождающееся образо-
ванием свободного глицерина и жирных кислот или же их солей, называемых
мылами.
Свойства данного жира характеризуются его «числами» — кислотным числом,
иодным числом, числом омыления и др. t
Кислотное число — количество миллиграммов едкого кали, необхо-
димое для нейтрализации свободных жирных кислот, содержащихся в
одном грамме жире. Кислотное число — весьма важный показатель свойств
и состояния жира, так как оно может легко увеличиваться при хранении как
жира, такчи богатых жиром пищевых продуктов.
Иодное число — количество граммов иода, связываемое 100 г данного жира.
Так как присоединение иода происходит по месту двойных связей, имеющихся
246
в ненасыщенных жирных кислотах, иодное число дает представление о содер-
жании в жире этих ненасыщенных кислот. Чем выше иодное число, тем более
жидок и легче окисляем жир, тем более он пригоден для приготовления лаков,
красок и олифы.
Число омыления — количество миллиграммов едкого кали, необходимое
для нейтрализации как свободных, так и связанных с глицерином жирных кислот,
получающихся при омылении 1 г масла.
Жиры растворимы в эфире, сероуглероде, бензине, дихлорэтане, петролей-
ном эфире, частично в кипящем спирте, но нерастворимы в воде, с которой об-
разуют эмульсии.
Жиры при длительном хранении приобретают неприятный вкус и запах—про-
горкают. Прогоркание жиров может вызываться чисто химическими реакциями,
связанными с действием света, воздуха и воды. По-видимому, в процессе про-
горкания жиров участвуют также некоторые окислительные ферменты, в част-
ности фермент липоксигеназа. Наиболее простой случай прогоркания, часто
наблюдающийся при хранении коровьего масла и маргарина, заключается в
простом омылении жира. Освобождающаяся при этом свободная масляная кис-
лота вызывает появление у жира неприятного запаха, свойственного этой кис-
лоте.
Иногда прогоркание жиров зависит от жизнедеятельности микроорганиз-
мов. В этом случае неприятные запах и вкус жира обусловлены появлением
кетонов, образующихся при окислении отщепленных жирных кислот. Однако
нужно отметить, что подобного рода кетонное прогоркание наблюдается только
у жиров, содержащих жирные кислоты с числом углеродных атомов в молекуле
от 6 до 12. Пр{Гкетонном прогоркании, например, из капроновой кислоты СН3—
—(СН2)4—СООН образуется метилпропилкетон СН3—(СН2)2—СО—СН3.
Предполагается, что образованию кетонов предшествует образование кето-
кислот, которые затем, отщепляя углекислый газ (декарбоксилируясь), дают
кетоны
R—СН2—СН2—СООН R— СО—СН2—СООН R— СО—СН3 + СО2
Жирная кислота Кетокислота Кетон
Однако наиболее распространенным типом прогоркания жиров является
прогоркание, обусловленное окислением ненасыщенных жирных кислот кисло-
родом воздуха. При этом кислород присоединяется по месту двойных связей,
образуя перекиси:
0-0
R-C=C-Ri + 02 R-C—С—Rt
II II
НН НН
В результате дальнейшего разложения образовавшихся перекисей жирных кис-
лот получаются альдегиды, придающие жиру неприятный запах и вкус. Подоб-
ного рода окислительное прогоркание жиров или содержащих жиры продуктов
(круп, концентратов) ускоряется присутствием небольших количеств влаги, по-
вышенной температурой и светом. В отсутствие кислорода оно не идет; таким
образом, при хранении жира в вакууме он не будет подвергаться прогорканию.
Практически для предотвращения окислительного прогоркания жиров к ним
прибавляют так называемые антиокислители, которые, будучи добавлены в весьма
малых количествах, задерживают прогоркание. Многие из этих антиокислителей
являются фенолами. Наиболее активный антиокислитель — витамин Е (токо-
ферол).
247
Воска
Воска представляют собой жироподобные вещества, твердые при обычной
температуре. Это сложные эфиры, образованные жирными кислотами и высоко-
молекулярными одноатомными спиртами жирного (реже ароматического) ряда.
Природные воска содержат также некоторое количество свободных жирных
кислот и упомянутых высокомолекулярных спиртов, а также углеводородов
парафинового ряда. Воска покрывают тонким слоем листья, стебли, стволы и
плоды растений. Восковой налет на плодах винограда, яблок, груш и слив предо-
храняет их от смачивания водой, высыхания и поражения микроорганизмами.
Опыты показали, что удаление воскового слоя с поверхности плодов приводит
к тому, что они гораздо быстрее подвергаются порче при хранении. В состав вос-
ков входят как обычные жирные кислоты, содержащиеся в жирах,— пальмити-
новая, стеариновая, олеиновая и др., так и жирные кислоты, характерные для
восков, имеющие гораздо большие молекулярные массы, — карнаубовая
С24Н48О2, церотиновая С27Н54О2, монтановая С29Н58О2 и др.
Среди высокомолекулярных спиртов, входящих в состав восков, можно от-
метить следующие, наиболее изученные:
цетиловый спирт CH3(CH2)i4CH2OH я-октакозанол СН3(СН2)2бСН2ОН
я-гексакозанол Cf^CH^CHjjOH я-триаконтанол СН3(СН2)28СН2ОН
Углеводороды, входящие в состав восков, в некоторых из них составляют
главную часть воскового налета. Так, восковой налет на листьях капусты состоит
главным образом из парафинового углеводорода нонакозана С29Н60 и его произ-
водного, содержащего карбонильную группу =СО, нонакозанона. В табаке най-
дены углеводороды гептакозан С27Н56 и я-триаконтан C3iH64. Довольно подробно
исследован состав воскового налета на поверхности виноградных ягод. В нем
найдена свободная пальмитиновая кислота, ее эфир с высокомолекулярным
спиртом энокапролом, цериловый спирт С26Н53ОН, мирициловый спирт С31Н63ОН.
церотиновая кислота.
Восковой налет кожицы яблок состоит из двух типов воска — твердого,
образующего мельчайшие зернышки на поверхности кожицы, и пропитывающего
ее жидкого воска. И тот и другой воск состоит из парафиновых углеводородов,
высших спиртов и жирных кислот. Состав воска кожицы яблок приведен ниже:
Компоненты Твердый воск, % Жидкий воск, %
Парафиновые углеводороды ... 43 23
Высшие спирты ........ 20 18
Жирные кислоты........... 20 58
Оксикислоты ................ 12—16 —
Углеводороды твердого воска кожицы яблок на 99 % состоят из нонакозана;
фракция высших спиртов содержит 17,2% тетракозанола (С24), 37% гексакоза-
нола (С26), 34% октакозанола (С28) и 9,6% триаконтанола (С30); жирные кислоты
представлены в основном пальмитиновой (31,1%), стеариновой (27,7%), арахи-
новой (10%) и бегеновой (11,6%) кислотами.
Значительное количество воска выделяется на поверхности листьев пальмы
Corypha ceriphera, произрастающей в Южной Америке. Этот воск, называемый
карнаубским, имеет желтый или зеленоватый цвет, очень тверд и ломок, плавится
при 83—90°. Идет на выделку свечей.
Среди животных восков наибольшее значение имеют пчелиный воск и воск,
содержащийся в овечьей шерсти (ланолин). Различные воска широко применяют-
ся при изготовлении свечей, помад, мыла, разных пластырей.
248
Фосфолипиды
Фосфолипиды так же, как и жиры, — глицериды, т. е. сложные эфиры гли-
церина и жирных кислот. От настоящих жиров отличаются тем, что содержат
фосфорную кислоту.
Ниже приводится общая формула глицерофосфатидов
О
II
СН2—О—С—Rt
I °
I II
СН—О—с—r2
он
СН2-О—Р=О
\>в
где OCRi и OCR2 — остатки различных жирных кислот: линолевой, линолено-
вой, пальмитиновой, стеариновой и т. д.; В — остаток азотистого основания или
аминокислоты серина.
Из азотистых оснований, входящих в состав фосфатидов, наиболее распро-
странен холин — сильное основание, легко растворимое в воде и спирте, но не-
растворимое в эфире.
Хол^н играет важную роль в обмене веществ, так как под действием соот-
ветствующих ферментов он может передавать содержащиеся в нем метильные
группы другим веществам.
Фосфатиды, состоящие из остатков глицерина, жирных кислот, фосфорной
кислоты и холина, называют лецитинами или холинфосфоглицеридами. Фосфа-
тиды, называемые кефалинами или этаноламинфосфоглицеридами, отличаются
от лецитинов тем, что в них вместо холина содержится этаноламин СН2ОН—
—CH2NH2 (коламин).
Сходно с кефалинами построены фосфатиды, называемые фосфатид и леер и-
нами; но вместо этаноламина они содержат остаток аминокислоты серина.
Н3С СН2—СН2ОН
H3C-NZ
Н3С ОН
Холин
о он nh2
\ / \
Р СН-СООН
HjC-O^ —сн2
I
НС—О—СО—R
H2C-O-CO-R!
Фосфатидилсерин
Лецитины, кефалины и фосфатид и леер ины преобладают в мембранах мито-
хондрий.
Лецитины и кефалины при действии кислот или соответствующих ферментов
расщепляются на составные части, причем если при гидролизе отщепляются хо-
лин или коламин и жирные кислоты, то образуется глицеринфосфорная кислота
СН2ОН—СН(ОН)—СН2О—РО(ОН)2.
Разнообразие лецитинов, кефалинов и фосфатидилсеринов зависит от при-
роды содержащихся в них остатков жирных кислот и от места связи их с остат-
ками глицерина.
Молекула лецитина так же, как и молекула какой-либо жирной кислоты,
обладает полярностью. Конец молекулы, на котором расположен остаток холина
249
или коламина, обладает гидрофильными свойствами, а другой конец молекулы,
на котором располагаются остатки жирных кислот, — ярко выраженными гидро-
фобными свойствами. Этим обстоятельством объясняется то, что лецитины, ори-
ентируясь строго определенным образом на границе раздела двух фаз, играют
важную роль в структуре протоплазмы и биологических мембран. Значительная
часть фосфатидов содержится в протоплазме в виде липопротеидов, представляю-
щих собой соединения липидов с белками.
В растениях найдены также фосфатиды, не содержащие азотистых основа-
ний, — фосфатидные кислоты. Они содержатся в зародышах пшеницы, в листьях
капусты и других растений, а также в млечном соке тропического каучуконосного
дерева Hevea brasiliensis. Фосфатидные кислоты содержатся в растениях в виде
кальциевых, магниевых и калиевых солей.
Фосфатидные кислоты могут присоединять к себе еще один остаток глицери-
на, образуя фосфатидилглицерин:
Н2СО----Р----ССН2
I // \ I
неон О ОН НС—О-СО—R
I I
Н2СОН н2С—О—СО—Ri
Фосфатидилглицерин в особенно заметных количествах содержится в хлоро-
пластах, составляя до 50% от общего содержания липидов в листьях. Необходимо
отметить, что фосфатидилглицерин хлоропластов содержит до 35% необычной
ненасыщенной жирной Д3-/пранс-гексадеценовой кислоты, не найденной в ка-
ких-либо других липидных компонентах клетки:
сн2 сн2 сн2 сн2 сн2 сн2
ноос с=с \н2\н2\^2\н^сн3
\/ н
сн2
Многие растительные фосфолипиды содержат сахара: глюкозу, галактозу
или пентозу.
Лецитины широко применяются в пищевой промышленности — при изго-
товлении шоколада, маргарина и в качестве веществ, предохраняющих жиры
от окисления и прогоркания.
Особенно большим содержанием фосфолипидов отличаются яичный желток
и соевые бобы. Из соевых бобов получают большое количество фосфолипидов
для промышленных целей. В
Приведем данные А. Н. Белозерского и И. В. Корнева о содержании лецитинов и ке-
фалинов в соевых бобах:
Часть семени Содержание Содержание Общее содер-
кефалинов, % лецитинов, % жаниефос-
фолипидов, %
Семядоли 0,28 1,81 2,09
Зародыши (ростки) . . . 0,53 2,62 3,15
Семя в целом 0,27 1,68 1,95
Таким образом, анализ фосфолипидов сои показал, что содержание их в ростках выше,
чем в семядолях, а в цельном соевом бобе и в его частях кефалины составляют лишь незна-
чительную долю от общего количества фосфолипидов. Соевый лецитин содержит олеиновую
(52%), линолевую (38%), линоленовую (9%), пальмитиновую и стеариновую кислоты.
В состав фосфолипидов сои, кукурузы и арахиса наряду с лецитинами и ке-
фалинами входит также фосфолипид, содержащий мио-инозит (см. с. 79).
Исследование этого фосфолипидал выделенного из соевых бобов, показало, что
250
в нем мио-инозит связан гликозидной связью с сахаром (галактозой или араби-
нозой) и сложноэфирной связью с остатком фосфорной кислоты, которая, в свою
очередь, связана с коламином. В аналогичном фосфолипиде кукурузного зерна
в качестве азотистого основания содержится церебрин (фитосфингозин) — соеди-
нение, найденное в дрожжах, плесневых и шляпочных грибах. Церебрин имеет
следующую структуру:
СН3—(СН2)13—СН---СН—сн—сн2
он он nh2 он
В одноклеточных зеленых водорослях ChlorellauScenedesmus найден «комби-
нированный» фосфолипид, в котором остаток фосфорной кислоты связывает
мио-инозит и глицерид. В этом фосфолипиде остаток фосфатидной кислоты через
фосфорную кислоту связан с мио-инозитом:
CH.OCOR1
I
CHOCOR2 О
СН2—О—Р—о-
он
H он
он н
" Фосфатидил мио-инозит
Пигменты, растворимые в жирах (хлорофиллы и каротиноиды)
Пигменты, принадлежащие к этой группе, нерастворимы в воде, но раство-
ряются в органических растворителях. К группе каротиноидов относят вещества,
окрашенные в желтый или оранжевый цвет. Наиболее известные представители
каротиноидов — каротины — пигменты, придающие специфическую окраску
корням моркови, а также лютеин — жел-
тый пигмент, содержащийся наряду с ка-
ротинами в зеленых частях растений. Ок-
раска семян желтой кукурузы зависит от
содержащихся в них каротинов и кароти-
ноидов, получивших название цеаксанти-
на и криптоксантина. Окраска плодов то-
мата обусловлена каротиноидом ликопи-
ном. Каротиноиды играют большую роль в
обмене веществ у растений, участвуя в
процессе фотосинтеза.
Хлорофиллы — это пигменты, прида-
ющие зеленую окраску растениям. Они
имеют огромное значение в процессе фо-
тосинтеза (см. с. 272).
В настоящее время каротиноиды и
хлорофиллы изучены очень хорошо. Заме-
чательные успехи, достигнутые биохимией
в области выделения, очистки, установле-
ния структуры и изучения биохимических
реакций каротиноидов и хлорофиллов, бы-
ли сделаны благодаря гениальному по
простоте и изяществу методу хроматогра-
Михаил Семёнович Цвет
(1872—1919)
251
фического адсорбционного анализа, разработанному в 1903 г. М. С. Цветом.
Принцип хроматографического метода заключается в том, что сложная смесь
различных окрашенных веществ, растворенных в каком-либо органическом
растворителе, например смесь различных каротиноидов и хлорофиллов, получен-
ная путем экстрагирования листьев петролейным эфиром или сероуглеродом,
пропускается через вертикально поставленную стеклянную трубку, наполнен-
ную адсорбентом. В качестве адсорбента могут быть использованы углекислый
кальций, тальк, крахмал и другие вещества. Так как каждый из содержащихся
в растворе пигментов обладает определенной, только ему свойственной способ-
ностью адсорбироваться на заполняющем трубку адсорбенте, то происходит раз-
деление этих пигментов, и каждый из них концентрируется в строго определен-
ном слое адсорбента. В стеклянной трубке с адсорбентом, называемой адсорб-
ционной колонкой, получается несколько полос, окрашенных в разные цвета,
в зависимости от того, какой пигмент адсорбировался в том или ином слое адсор-
бента. На рис. 70 показано, как разделяются пигменты зеленого листа — каро-
тин, лютеин и хлорофиллы, экстрагированные из листьев циклогексаном, при
пропускании раствора через колонку из окиси магния. Слой адсорбента, содержа-
щий тот или иной пигмент, вынимают из трубки, и адсорбированное вещество,
отделенное таким образом от других присутствующих в растворе веществ, может
быть экстрагировано (элюировано) из адсорбента с помощью какого-либо дру-
гого растворителя, например спирта. Выделенные таким образом пигменты
могут быть подвергнуты повторному хроматографическому анализу на других
адсорбентах и с другими растворителями. Если данный пигмент представляет
собой смесь двух или трех изомеров, имеющих одинаковую эмпирическую фор-
мулу, но различающихся лишь незначительными особенностями своих структур-
ных формул, то с помощью дальнейшего хроматографического анализа можно
разделить такие, весьма близкие по своим свойствам изомеры. Таким образом
были разделены, выделены в чистом виде и исследованы три изомера каротина,
имеющие одинаковую эмпирическую формулу С40Н56. Точно так же с помощью
хроматографического анализа было показано, что пигменты желтой кукурузы
представляют собой смесь трех каротиноидов — лютеина, криптоксантина и
цеаксантина. Наконец, как показал М. С. Цвет, пользуясь хроматографическим
анализом, можно разделить хлорофилл листьев на два пигмента, различающихся
по составу и свойствам — хлорофилл а и хлорофилл Ь. Разделение хлорофил-
лов в бензольном растворе на колонке из крахмала показано на рис. 71 (см. цвет-
ную вкл.).
Хромотографический адсорбционный анализ, разработанный Цветом на
смесях окрашенных веществ, в настоящее время, нашел широчайшее применение
при разделении, выделении и исследовании самых ра знообразных веществ, не
обладающих окраской. Благодаря этому методу удается разделение, очистка и
получение в чистом виде витаминов, аминокислот, белков, пептидов, ферментов,
различных неорганических веществ и т. д. За последние годы при разделении и
идентификации очень малых количеств веществ исключительно большую помощь
оказывает биохимикам одна из разновидностей хроматографического анализа —
так называемая распределительная хроматография на бумаге, разработанная
английскими биохимиками А. Мартином и Р. Сингом. Она основана на том,
что различные вещества по-разному диффундируют и распределяются на листе
фильтровальной бумаги, пропитанном смесью определенных органических раст-
ворителей.
Особенно чувствительными разновидностями хроматографии являются так
называемая тонкослойная и газовая хроматография, которые находят все более
широкое применение в биохимии, биоорганической химии и пищевой химии.
Газовая хроматография в настоящее время наиболее точный и быстрый ме-
тод анализа липидов.
252
Важнейшая роль, которую сыграл в биохимии и, в частности, в изучении и установле-
нии строения каротиноидов хроматографический анализ Цвета, может быть охарактеризо-
вана следующими словами знаменитого швейцарского химика-органика и биохимика П. Кар-
рера: «Никакое другое открытие не оказало такого огромного влияния и так не расширило
возможности исследования химика-органика, как хроматографический анализ Цвета. Ис-
следования в области витаминов и гормонов, каротиноидов и многочисленных других при-
родных соединений никогда не могли бы развиться так быстро и дать такие большие резуль-
таты, если бы они не были основаны на новом методе, который, вместе с тем, позволил уста-
новить факт наличия в природе огромного разнообразия родственных соединений».
Группа каротиноидов включает около 65—70 природных пигментов. Каро-
тиноиды содержатся в большинстве растений (за исключением некоторых грибов)
и, вероятно, во всех животных организмах, но их концентрация почти всегда
очень низка. Содержание каротиноидов в зеленых листьях составляет примерно
0,07—0,2% при расчете на сухую массу листьев. В отдельных исключительных
случаях наблюдается, однако, очень высокая концентрация каротиноидов. На-
пример, в пыльниках многих видов лилий содержатся очень большие количества
лютеина и каротиноида, называемого антераксантином.
Одна из характерных особенностей каротиноидов — наличие в них значи-
тельного числа сопряженных двойных связей, образующих их хромофорные груп-
пы, от которых зависит окраска. Все натуральные каротиноиды могут рассмат-
риваться как производные ликопина — каротиноида, содержащегося в плодах
томатов, а также в некоторых ягодах и фруктах. Эмпирическая формула ликопи-
на С40Н56. Строение его таково:
СН2 Ликопин
СН3
11' 10' 9'1 8' 7' 6*’r(L 2'
снсн=ссн=снсн ^сн
н3с—с^4>,сн2
сн2
Путем образования кольца на одном или на обоих
пина образуются его изомеры: а-, Р- или у-каротины:
концах молекулы лико-
сн3 сн3 сн3 сн3
„ г£с 6 7 8 19 10 11 12 |13 14 15 15' 14' 13* 112' -
сн=снс=снсн=снс=снсн=снсн==ссн=
У п2 II
3C^2jxC-CH3
СН2 У-Каротин
СН3 СН3 СН3
11' 10' 9'1 8' 7' 6*
СНСН=ССН=СН—СН ЧзН2
Н3С—СХ4>СН2
СН2
сн3 сн3 сн3 сн3 сн3 сн3 сн3 сн3
6 7 8 19 10 11 12 |13 14 15 15' 14' 13*112' 11' 10' 9'|8* 7' 6' ^С^г*
2^ Хс—СН=СНС=СНСН=СНС=СНСН=СНСН=ССН=СНСН=ССН=СН—СХ ^СН2
сн3
Гн2
Р -Каротин
Н3С—1
Сопоставляя формулы, можно заметить, что а-каротин отличается от Р-изо-
мера положением двойной связи в одном из циклов, расположенных по концам
молекулы. В отличие от а- и Р-изомеров у-каротин имеет только лишь один цикл.
253
Наиболее богаты каротинами зеленые части растений и корень моркови. Каро-
тины являются веществами, из которых образуется витамин А. Поскольку лико-
пйн и каротины содержат 40 углеродных атомов, они могут рассматриваться как
образованные восемью остатками изопрена. Все без исключения другие природ-
ные каротиноиды — производные четырех указанных выше углеводородов:
ликопина и каротинов. Они образуются из этих углеводородов путем введения
гидроксильных, карбонильных или метоксильных групп или же путем частич-
ной гидрогенизации или окисления.
В результате введения в молекулу 0-каротина двух оксигрупп образуется каротиноид,
содержащийся в зерне кукурузы и называемый цеаксантином С40НббО2 (3,3'-диокси-0-каро-
тин):
С
но—сн с—сн3
(5Hj
сн3 сн3 сн3 сн^сн3
[=с н с=с н с н=с н с н=с с н=с н с н=с с н=с н—сх хс н2
:«он
Н3С-
Цеаксантий
Введение двух оксигрупп в молекулу а-каротина приводит к образованию лютеина
С40Н6бО2 (3,3'-диокси-а-каротин), изомера цеаксантина, содержащегося наряду с кароти-
нами в зеленых частях растений. В результате присоединения к молекуле0-каротина одного
атома кислорода с образованием фураноидной структуры получается каротиноид цитро-
ксантин С40Н5бО, содержащийся в кожуре цитрусовых плодов:
СНз ^СН3
ciC'y—сн сн3 сн3 сн3 сн3 с^>Нз
СН2 С ХСН—С=СНСН=СНС=СНСН—СНСН=ССН=СНСН==ССН=СН—С'"' ''"СН2
н3с—С\с^сн2
Цитроксантин.
Продуктами окисления каротиноидов, содержащих в молекуле 40 углеродных ато-
мов, являются кроцетин С20Н24О4, биксин С26Н30О4 и f)-цитр аурин С30Н4о02.
Кроцетин — красящее вещество, содержащееся в рыльцах крокуса в соединении с
двумя молекулами дисахарида гентиобиозы в виде гликозида кроцина. Кроцетин представля-
ет собой дикарбоновую кислоту:
СН3 СН3 СН3 СН3
8 |9 10 11 12 |13 14 15 15' 14' 13'| 12' 11' 10' 9'| 8'
ноосс=снсн=снс=снсн=снсн=ссн=снсн=ссоон
Кроцетин
Биксин — пигмент красного цвета, содержащийся в плодах тропического растения
Bixa orellana\ применяется для подкраски масла, маргарина и других пищевых продуктов:
СН3 СНз СНз СНз
6 7 8 |9 10 11 12 13 14 15 15' 14' 13'112' 1Г 10' 9' 8' 7' 6'
НООССН=СНС=СНСН=СНС=СНСН=СНСН=ССН=СНСН=ССН=СНСООСНз
Биксин
p-Цитраурин содержится в кожуре плодов цитрусовых и имеет следующее строение:
СНз СНз гн
2С^6 -”19 3--
1з
НО—СН <
сн2
СН3 СНз СН3
_о А,. АттА- 12 НЗ 14 15 15' 14' 13112' 11' 10' 9 8'
С—СН=СНС=СНСН=СНС=СНСН=СНСН=ССН==СНСН=С—сно
IL
/?-Цитраурин
254
В бурых водорослях содержится каротиноид фукоксантин С40Н60О6, ко-
торый принимает участие в процессе фотосинтеза в качестве так называемого
вспомогательного пигмента (см. с. 276):
В организме животных и человека каротиноиды играют важную роль в
качестве исходных веществ, из которых образуются витамины группы А, а так-
же «зрительный пурпур», участвующий в зрительном акте. В растительном ор-
ганизме каротиноиды играют важную роль в процессе фотосинтеза.
Исходя из химического строения каротиноидов, содержащих значительное
количество двойных связей, можно предполагать, что они являются в растении
переносчиками активного кислорода и принимают участие в окислительно-
восстановительных процессах. На это указывает широкое распространение в ра-
стениях кислородных производных каротиноидов — эпоксидов, чрезвычайно
легко отдающих свой кислород.
Примером такого кислородного производного может служить диэпоксид
0-каротина:
Н3С СН3
Н2С с—сн=сн
I |>°
Н2С с
\н2\н3
Каротиноиды легко образуют перекиси, в которых молекула кислорода при-
соединяется по месту двойной связи и может затем легко окислять различные ве-
щества.
Входящий в состав хлорофилла фитол (см. с. 270) и каротиноиды в качестве
основной структурной единицы имеют изопрен:
нзс\
н2с/
сн=сн2
Фитол и каротиноиды так же, как терпены, гутта, каучук и рассматривае-
мые ниже стероиды, представляют собой изопреноиды.
В настоящее время фитол, каротиноиды, терпены, каучук, гутту, стероиды,
а также убихиноны (см. с. 217), пластохиноны (см. с. 279), витамин Е и витамин
К (см. с. 73) объединяют общим термином терпеноиды.
Исходным материалом для синтеза терпеноидов является радикал ацетила —
СН3СО, а промежуточным продуктом, образующимся при биосинтезе терпенои-
дов из соединений, содержащих активный ацетил, — мевалоновая кислота (см.
с. 319).
255
Стероиды
Стероиды — производные циклопентанопергидрофенантрена, в основе
строения которого лежит следующая структура:
К стероидам относятся стеролы и их производные, некоторые сапогенины,
входящие в состав сапонинов, сердечные гликозиды и агликоны гликоалкалоидов
(см. с. 310) и ряд гормонов животного происхождения.
Стеролы не растворяются в воде, но прекрасно растворяются во всех жиро-
вых растворителях. Поэтому при экстрагировании какого-либо продукта расти-
тельного происхождения серным эфиром или другим жировым растворителем
в экстракт кроме жиров и фосфатидов переходят также стеролы. Если произвести
омыление жира, то стеролы остаются в так называемой неомыляемой фракции,
откуда могут быть выделены в чистом виде путем фракционированной кристалли-
зации из спиртовых растворов.
Стеролы играют важную роль в составе протоплазмы, образуя с белками
сложные комплексы, участвующие в построении внутриклеточных мембран;
значение последних весьма существенно в регуляции обмена веществ в клетке.
Характерный представитель группы стеролов — эргостерол С28Н4зОН. Он
содержится в дрожжах, в рожках спорыньи, плесневых грибак, в пшеничном
зерне. Молекула эргостерола имеет следующее строение:
сн СНз СНз
СН2| сн—сн—сн=сн—сн—сн
/\|/\ I \
Н2С с сн2 сн3 сн3
Н3с| | I
Эргостерол
Как показал А. Виндаус, из эргостерола, при облучении его ультрафиоле-
товыми лучами, образуются витамины группы D.
Из различных продуктов растительного происхождения выделен ряд стеро-
лов. Так, из масла кукурузы и из масла пшеничных зародышей выделен стерол,
имеющий эмпирическую формулу С27Н45ОН.В масле, получаемом из эндосперма
пшеницы, содержатся два стерола — один с той же эмпирической формулой
С27Н45ОН и другой (его гидрированное производное) — дигидростерин, соот-
ветствующий эмпирической формуле С27Н47ОН. Из пшеничных и рисовых заро-
дышей выделены также стеролы, имеющие эмпирическую формулу С30Н49ОН.
Отдельные стеролы отличаются друг от друга количеством содержащихся в них
двойных связей и строением боковой цепи. Например, ситостеролы С29Н49ОН —
группа весьма распространенных в растениях стеролов — в отличие от эргосте-
рола содержат лишь одну двойную связь, а в боковой цепи у них одна метильная
группа заменена этильной:
256
/J-Ситостерол
Стигмастерол С29Н47ОН, содержащийся в соевом масле, и спинастеролы, вы-
деленные из листьев шпината и капусты, отличаются от ситостерола наличием
в них двух двойных связей.
Особенно велико содержание стеролов в дрожжах, которые используются для
промышленного выделения эргостерола и последующего получения из него вита-
минов группы D. Дрожжи содержат свыше 2% стеролов на сухое вещество.
В пшеничном зерне их содержится от 0,03 до 0,07%; в зерне кукурузы,'отличаю-
щемся высоким содержанием жира, — от 1,0 до 1,3%.
Значительные количества стеролов, в частности эргостерола, содержатся в
мицелии плесневых грибов, остающемся как отход при производстве антибиоти-
ков и лимонной кислоты. В бактериях стеролы либо совсем не содержатся, либо
содержатся в очень незначительном количестве (от 0,000 4 до 0,01 % на сухое
вещество).
В листьях содержание стеролов невелико —около 0,05—0,18% на сухое
вещество.
Большой интерес представляет наличие в высших растениях гормонов на-
секомых: ювенильного гормона и гормонов линьки —экдизонов, К настоящему
времени из многих растений выделено около 40 различных экдизонов,
обладающих высокой биологической активностью. Содержание экдизонов в
растениях достигает 2%. Экдизоны представляют собой полигидроксилирован-
ные стеролы; их примером может служить экдистерон'.
ОН ОН
Исходным веществом при биосинтезе стеролов, так же как и при биосинтезе
всех терпеноидов, является ацетильный остаток СН3СО— (см. с. 322).
ОБМЕН ЛИПИДОВ
Общеизвестно, что в животном организме жиры чрезвычайно легко образу-
ются из углеводов. То же самое имеет место у микроорганизмов и высших расте-
9—596
257
Дни от начала созревания
Рис. 72. Изменение содержа-
ния углеводов и жира в соз-
ревающих семенах подсолнеч-
ника:
/ — жир, 2 — углеводы
написано следующим образом:
ний. Установлено, что очень многие микроор-
ганизмы — дрожжи, плесневые грибы, бакте-
рии — могут синтезировать значительные коли-
чества жира из углеводов. Некоторые из них на-
капливают до 60% жира на сухое вещество.
Процесс образования жира из углеводов может
идти с чрезвычайно большой скоростью. Напри-
мер, дрожжеподобный организм Torulopsis li-
pofera при культивировании его на глюкозе за
пять часов образует до 11 % жира на сухое ве-
щество.
Образование жира из сахара у микроорга-
низмов происходит только лишь при достаточ-
ном доступе кислорода и сопровождается затра-
той значительного количества энергии, необхо-
димой для происходящих при этом синтетиче-
ских реакций. Суммарное уравнение синтеза
стеариновой кислоты из глюкозы может быть
5С6Н12О6 + 4О2 С18Н36О2 + 12СО2 + 12Н2О
Г люкоза Стеа риновая
кислота ч
При этом процессе потребляется 945,7 ккал на 5 грамм-молекул потребленной
глюкозы. Как видно из этого уравнения, дыхательный коэффициент СО2/О2 дол-
жен быть равен в этом случае 3,0. Действительно, процесс образования жира из
сахара у дрожжей или, например, у Torulopsis Upofera сопровождается дыхатель-
ными коэффициентами, значительно превышающими единицу. Для образования
жира у микроорганизмов необходимо также наличие в питательной среде фосфатов.
Это установлено в отношении дрожжей и особенно четко показано для Torulopsis
Upofera.
Чрезвычайно энергичное образование жиров за счет углеводов происходит
в созревающих семенах и плодах, накапливающих значительное количество
жиров (рис. 72).
Так же, как и у микроорганизмов, процесс образования жира из углеводов
в созревающих семенах и плодах растений происходит при достаточном доступе
кислорода, так как часть потребляемого сахара окисляется полностью до угле-
кислого газа и воды, а образующаяся при этом энергия используется на процесс
синтеза жира. Вместе с тем образующиеся из сахара жирные кислоты содержат
значительно меньше кислорода (около 11—12%), чем исходный сахар, например
глюкоза (около 50% кислорода). Поэтому кислород, необходимый для осуществ-
ления синтеза жирных кислот, частично берется из самого сахара, и потребле-
ние атмосферного кислорода снижается. В результате дыхательные коэффициен-
ты у созревающих масличных семян, так же как и у микроорганизмов, образую-
щих жир из сахара, значительно превышают 1 (дыхательные коэффициенты у
созревающих семян клещевины достигают 4,71).
Главные этапы синтеза жира в растительном организме могут быть пред-
ставлены схемой:
Сахар
глицерин-----------------------
\ (насыщенные жирные кислоты
I *
(ненасыщенные жирные кислоты
жир
Из этой схемы очевидно, что составные части жира —глицерин и жирные
кислоты —образуются из сахаров. Главным источником образования компо-
258
нентов жира являются гексозы, в первую очередь глюкоза и фруктоза. Однако
нужно отметить, что некоторые микроорганизмы, как, например, Oidiutn lactis
или различные виды Fusarium, очень энергично образуют жир из пентоз. В созре-
вающих плодах маслины образование жира происходит за счет маннита. Уста-
новлено также, что микроорганизмы —пекарские дрожжи, Torulopsis lipofera,
Endomyces vernalis—чрезвычайно легко образуют жир из этилового спирта,
пировиноградной кислоты, ацетальдегида и уксусной кислоты. Таким образом,
исходным веществом, используемым на синтез жира в растительном организме,
могут быть не только гексозы, но также пентозы и продукты глубокой диссими-
ляции углеводов, содержащие два или три углеродных атома в молекуле. Особое
значение в этом смысле приобретает уксусная кислота, чрезвычайно легко ис-
пользуемая на синтез жиров. В настоящее время с помощью изотопного метода
установлено превращение уксусной кислоты в жирные кислоты у животного
организма, бактерий, дрожжей и высших растений.
Глицерин, необходимый для синтеза жиров, образуется в процессе ана-
эробной диссимиляции углеводов путем восстановления глицеринового аль-
дегида, получающегося из фруктозодифосфата под действием фермента альдо-
лазы.
Из глицерина и жирных кислот при участии кофермента А образуется жир.
Поэтому по мере связывания жирных кислот с глицерином и синтеза глицеридов
происходит неуклонное снижение количества свободных жирных кислот, содер-
жащихся в жире. Вследствие этого кислотное число жира в созревающих семе-
нах неуклонно снижается.
Изменение состава жира, происходящее при созревании семян, снижение
кислотного числа и возрастание иодного числа хорошо иллюстрируются ниже
приведенными данными на примере семян льна (по С. Л. Иванову):
Дата взятия пробы Содержание жира, % Кислотное число Иодное
число
5 июля 2,3 15,4 120,6
18 июля 11,0 3,6 151,0
3 августа . . . . 32,5 4,0 168,0
25 августа . . . . 35,0 5,6 175,0
Включение остатка сахара в галактолипиды происходит под действием
специфических трансгликозилаз, причем, как это показано в опытах с хлоро-
пластами шпината, источник остатков галактозы—ур ид ин дифосфатга лактоза.
Семена масличных культур, в которых во время созревания происходит
чрезвычайно интенсивный синтез жиров, —прекрасный объект для выяснения
химизма превращения сахара в жиры, происходящего в растении с такой лег-
костью. Исследования, проведенные в этом направлении с помощью изотопного
метода, также показали, что образование высших жирных кислот идет особенно
легко из ацетата. Например, в прорастающих и созревающих семядолях ара-
хиса синтез жирных кислот сопровождается включением в них уксусной кисло-
ты, меченной радиоактивным углеродом 14С. Включение меченого ацетата в вы-
сокомолекулярные жирные кислоты показано также на примере созревающих
семян льна, на хлоропластах подсолнечника и форменных элементах из плодов
авокадо.
Исходным материалом для синтеза насыщенных жирных кислот служит ак-
тивный ацетил в виде ацетилкофермента А. Для осуществления синтеза необ-
ходимы Мп2 + и СО2, который вступает в реакцию с ацетилкоферментом А, образуя
малонилкофермент А —важнейший промежуточный продукт ферментативного
синтеза жирных кислот. В процессе присоединения СО2 к ацетилкоферменту А
важную каталитическую роль играет биотин, а. источником энергии для этого
9*
259
процесса является АТР. Схематически процесс биосинтеза малонилкофермента А
мы можем представить следующим образом:
биотин
СН3—СО—S—СоА 4- СО2-----> НООС—СН2—СО—S—СоА
АТР
Ацетилкофермент А Малонилкофермент А
Таким образом, фактический источник двууглеродного фрагмента, после-
довательно присоединяющегося при синтезе жирных кислот, —малонилкофер-
мент А. Биотин же является коферментом фермента ацетил-СоА —карбоксилазы,
который в процессе синтеза жирных кислот катализирует реакцию присоединения
СО2 (см. с. 305).
Синтез насыщенных жирных кислот из ацетил- и малонилкофермента А ка-
тализирует изученный Ф. Линеном и П. Штумпфом многоферментный комплекс,
называемый синтетазой жирных кислот. У высших растений и бактерий этот
комплекс состоит по крайней мере из шести различных ферментов и термоста-
бильного кофермента —белка-переносчика ацильных радикалов (Acyl Carrier
Protein —АСР). АСР из листьев шпината имеет молекулярную массу 9 500 и
представляет собой остаток фосфопантетеина, связанного через оксигруппу се-
рина с полипептидом, состоящим из 88 аминокислотных остатков:
полипептид
Asp (или Asn)
О СН3
Ser—О—Р—СН2—С—СНОН—СО—NH—СН2—СН2—СО—NH—СН2—СН2—SH
I I
Leu СН3
। ' Фосфопантетеин
Здесь важно отметить, что АСР является аналогом кофермента А; в последнем
фосфопантетеин связан не с полипептидом, а с остатком аденозин-3'-5'-дифос-
фата (см. с. 78).
Суммарное уравнение синтеза пальмитиновой кислоты, происходящего
под действием синтетазы жирных кислот, таково:
ацетил-СоА + 7 малонил-СоА + 14NADPH + 14Н+ ->
-> СН3—СН2—(СН2)13—СООН + 14NADP+ + 7СО2 + 8СоА + 6Н2О
Справедливость приведенной схемы биосинтеза высших жирных кислот по-
казана с помощью ферментных препаратов, выделенных из пекарских дрожжей,
зародышей пшеницы, митохондрий из плодов авокадо, хлоропластов шпината.
Не совсем ясен вопрос относительно путей биосинтеза ненасыщенных жир-
ных кислот. У пекарских дрожжей и синезеленых водорослей высшие насыщен-
ные жирные кислоты превращаются в ненасыщенные в результате реакций, в
которых участвуют NADPH и кислород. В листьях клещевины, капусты, латука
и цикория синтез олеиновой кислоты происходит только в аэробных условиях.
Бесклеточные ферментные препараты из плодов авокадо синтезируют олеиновую
кислоту только в присутствии кислорода, а синтез пальмитиновой и стеариновой
кислот усиливается в анаэробных условиях. Эти данные свидетельствуют об об-
разовании высших ненасыщенных жирных кислот из насыщенных, тем более,
что в растениях найден фермент, который дегидрирует стеариновую и пальми-
тиновую кислоты. Действительно, на примере хлореллы показано, что олеи-
новая кислота может синтезироваться из стеариновой кислоты путем отнятия
от этой последней водорода. Однако, возможно, что биосинтез насыщенных и не-
насыщенных жирных кислот идет сначала по одному пути, а затем они расходят-
260
ся. Этот вопрос так же, как и вопрос о путях биосинтеза жирных кислот с раз-
ветвленной углеродной цепочкой и жирных кислот типа хаульмугровой кислоты,
неясен и требует дальнейшей экспериментальной разработки. Рицинолевая кис-
лота — главная составная часть масла клещевины — образуется путем гидро-
ксилирования олеиновой кислоты, точнее олеил-СоА. Ферментная система,
катализирующая этот процесс, найдена в созревающих семенах клещевины; ее
обязательные кофакторы — NADPH и кислород.
Основные реакции биосинтеза липидов происходят в цитоплазме.
Процесс расщепления жира в растительном организме происходит особенно
энергично при прорастании масличных семян. Он начинается с гидролитического
распада жиров, происходящего под действием липазы и сопровождающегося на-
коплением глицерина и свободных жирных кислот. Образующиеся глицерин и
жирные кислоты чрезвычайно быстро используются для различных синтезов,
происходящих в развивающемся ростке. При этом главным продуктом, возни-
кающим в результате превращения жиров, является сахар. Мы уже приводили
ранее данные А. И. Ермакова и Н. Н. Иванова, показывающие, как за счет жира
в прорастающих масличных семенах накапливаются сахара. Аналогичные дан-
ные получены целым рядом исследователей. Необходимо отметить, что при про-
растании богатых жиром семян образуются не только гексозы, но и пентозы.
Этот факт указывает на то, что во время прорастания семени жир расщепляется
до низкомолекулярных соединений, содержащих два или три углеродных атома
в молекуле. Путем конденсации этих низкомолекулярных соединений образу-
ются затем различные моносахариды и другие вещества.
Дыхательные коэффициенты прорастающих масличных семян весьма низки,
они могут достигать величин, близких к 0,3 (см. с. 223). Это объясняется тем,
что при прорастании семян весьма бедные кислородом жирные кислоты пре-
вращаются в богатые им сахара. Вследствие этого кислород потребляется не толь-
ко для осуществления самого процесса дыхания прорастающих семян, но также
для предварительного превращения жира в сахар. Если при созревании маслич-
ных семян в первую очередь образуются насыщенные кислоты и они служат ма-
териалом для дальнейшего образования ненасыщенных жирных кислот, то
прорастание масличных семян сопровождается обычно понижением иодного
числа, свидетельствующим о преимущественном потреблении и превращении
ненасыщенных кислот. Накопление свободных жирных кислот, происходящее
при прорастании семян как следствие гидролиза жира под действием липазы, а
также понижение иодного числа, свидетельствующее о быстром исчезновении не-
насыщенных жирных кислот, иллюстрируется данными на примере семян льна
(по С. Л. Иванову):
Объект Жир, % Кислотное число Иодное число
Исходные семена . . . . 37,64 1,97 187,63
Проростки на 4-й день . . . . . . . 31,02 6,85 —
» » 8-й » ... . . . . 27,21 16,95 176,7
» » 12-й » ... . . . . 20,13 48,03 163,3
Недостаточно ясен еще вопрос о том, чем объясняется понижение иод-
ного числа при прорастании — преимущественным потреблением ненасыщенных
жирных кислот или их превращением в насыщенные кислоты. Имеется целый
ряд данных, указывающих на то, что в первую очередь потребляются ненасы-
щенные кислоты. Так, например, при исследовании прорастания земляного
ореха (арахиса), жир которого содержит 13—24% насыщенных кислот, а также
клещевины, у которой масло почти не содержит насыщенных кислот (всего лишь
3%) и чрезвычайно богато ненасыщенными кислотами, установлено глубокое
различие между этими растениями в накоплении сахара — в проростках арахиса
261
практически не происходило накопления сахара, в проростках клещевины его
содержание резко возрастало. Следовательно, из ненасыщенных жирных кислот
сахара образуются быстрее.
Имеются данные, полученные при изучении прорастающих семян подсолнеч-
ника, о том, что ненасыщенные жирные кислоты легко превращаются в насыщен-
ные.
По-видимому, весьма существенную роль в превращениях ненасыщенных
жирных кислот играет липоксигенеза, катализирующая окисление этих кислот
кислородом воздуха по месту двойной связи.
Как можно представить себе химизм диссимиляции жирных кислот?
Важнейший этап их диссимиляции —так называемое Р-окисление, открытое
Ф. Кноопом. При этом окисление жирной кислоты происходит у того углерод-
ного атома, который находится в P-положении по отношению к карбоксильной
группе:
R—СН2—СН2—СН2—СН2—СООН
о р а
В результате происходит разрыв углеродной цепочки жирной кислоты меж-
ду а- и Р-углеродными атомами с образованием ацетильного радикала и новой
высокомолекулярной жирной кислоты, содержащей на два углеродных атома
меньше, чем подвергшаяся окислению первоначальная жирная кислота.
Процесс Р-окисления жирных кислот осуществляется при участии кофер-
мента А и начинается с его присоединения к молекуле жирной кислоты:
R—(СН2)Й—СН2—СН2—СН2—СООН + HS—СоА + АТР
Жирная кислота Кофермент А
Н Mg2+
R—(СН2)„—СН2—СН2—СН2—СО—S—СоА + АМР + Р+Р
Ацилкофермент А Пирофосфат
Затем происходит отнятие водорода в а-Р-положении, осуществляемое под
действием флавинового фермента:
R—(СН2)Л—СН2—СН2—СН2—СО—S—СоА + Enz—FAD
Ацилкофермент А
It
R—(СН2)„—СН2—СН=СН—СО—S—СоА + Enz— FADH2
а-p-Ненасыщенный ацилкофермент А
Далее по месту двойной связи присоединяется молекула воды и образуется
Р-оксикислота:
+ Н2О
R—(CH2)rt—СН2—СН=СН—СО—S-СоА Z=± R—(CH2)rt—СН2—СН(ОН)—СН2—СО—S—СоА
— Н2О
а-Р-Ненасыщенный ацилкофермент А p-Оксиацилкофермент А
Образовавшаяся р-оксикислота подвергается окислению путем отнятия во-
дорода, которое происходит при участии NAD+, что приводит к образованию р-
кетокислоты:
R—(СН2)Я—СН2—СН(ОН)—СН2—СО—S—СоА + NAD+
p-Оксиацилкофермент А
fl
R—(СН2)„—СН2—СО—СН2—СО—S—СоА + NADH + Н+
0-Кетоацетилкофермент А
262
Последний этап 0-окисления жирной кислоты —расщепление образовав-
шейся 0-кетокислоты, происходящее иод действием новой молекулы кофер-
мента А:
R—(СН2)„—СН2— СО—СН2—СО—S—СоА + СоА—SH
З-Кетоацетилкофермент А
Н
R—(СН2)„—СН2—СО—S—СоА + СН3—СО—S—СоА
Ацилкофермент А Ацетилкофермевт А
В результате образуется ацетилкофермент А и соединенный с другим остат-
ком коэнзима А радикал новой жирной кислоты, содержащей на два углеродных
атома меньше, чем молекула исходной жирной кислоты. Новая кислота может
снова подвергнуться Р-окислению, пока не окислится полностью.
Таким образом, конечный продукт р-окисления жирных кислот — ацетил-
СоА. Он либо полностью окисляется до СО2 и Н2О,вступая в цикл трикарбоновых
кислот (см. с. 214), либо используется на синтез углеводов в глиоксилатном
цикле (см. с. 216). FADH2 и NADH, образующиеся при Р-окислении, окисляются
в дыхательной цепи с одновременным образованием пяти молекул АТР. Так как
на первом этапе Р-окисления расходуется одна молекула АТР, то «чистый» вы-
ход АТР на первом этапе составляет четыре молекулы АТР. Таким образом, при
полном окислении до СО2 и Н2О одной молекулы пальмитиновой кислоты
С16Н32О2 выход продуктов реакции и АТР будет следующий.
1. В результате семи этапов Р-окисления, на каждом из которых образуется
пять молекул АТР, возникает 35 молекул АТР. С вычетом одной молекулы АТР,
расходуемой на первом этапе, получаем 34 молекулы.
2. В результате полного окисления восьми молекул ацетил-СоА в цикле
трикарбоновых кислот образуется 96 молекул АТР (окисление одной молекулы
ацетил-СоА дает 12 молекул АТР).
3. Таким образом, образуется 16 молекул СО2 и 16 молекул Н2О и возникает
130 молекул АТР.
Наряду с р-окислением высокомолекулярные жирные кислоты (Ci4 Cie и
Ci8) в некоторых растительных тканях могут подвергаться также а-окислению.
При этом процесс окисления начинается с декарбоксилирования жирной кислоты,
которое происходит под действием особой пероксидазы и перекиси водорода.
В результате этого (первого) этапа процесса образуется соответствующий альде-
гид, содержащий на один углеродный атом меньше, чем исходная жирная кис-
лота. Альдегид далее подвергается окислению под действием особого фермента
альдегид-дегидрогеназы (1.2.1.3), коферментом которого является NAD. Обра-
зуется жирная кислота, содержащая на один углеродный атом меньше, чем ис-
ходная. Вновь образовавшаяся жирная кислота может снова подвергнуться
описанному выше декарбоксилированию с последующим окислением образо-
вавшегося альдегида.
Экспериментальные данные указывают на то, что, по-видимому, в процессе
образования альдегида (рис. 73, /) в качестве промежуточного продукта обра-
зуется оксикислота.
Ферментная система, катализирующая процесс а-окисления высокомоле-
кулярных жирных кислот, найдена в семядолях прорастающих семян земляного
ореха (Arachis hypoged), а также в листьях клещевины и гороха. По-видимому,
физиологическая роль процесса а-окисления заключается в образовании жир-
ных кислот с нечетным числом атомов углерода.
Ацетил, образующийся при р-окислении жирных кислот, может не только
полностью окисляться до СО2 и Н2О, но также использоваться на синтез различ-
263
ных соединений, в частности углеводов. Именно этот процесс синтеза углеводов
из жира происходит при прорастании богатых жиром семян (см. с. 261). При
этом ацетил, образующийся в результате Р-окисления, включается в реакции
цикла глиоксилевой кислоты (см. с. 216) и дает щавелевоуксусную кислоту,
Рис. 73. Схема а-окисления высокомолекулярных жирных кислот:
I — действие перексидазы высокомолекулярных жирных кислот;
II — действие альдегид-дегидрогеназы
а затем яблочную кислоту, которая далее превращается в фосфоенолпировино-
градную кислоту, а последняя — в углеводы.
Ранее было указано, что превращение жиров в сахара при прорастании бо-
гатых маслом семян происходит в особых субклеточных структурах —глиокси-
сомах. Этот процесс получил название глюконеогенеза. Жир под действием липаз
гидролизуется до жирных кислот и глицерина. Жирные кислоты, окисляясь,
образуют ацетил-СоА, который через серию реакций глиоксилатного цикла
(см. с. 216), локализованных главным образом в глиоксисомах, дает щавелево-
уксусную кислоту, превращающуюся далее в фосфоенолпируват. Глицерин же
дает фосфотриозы, которые, как и фосфоенолпируват;, служат исходным мате-
риалом для синтеза глюкозы и фруктозы путем обращения процесса анаэробного
расщепления глюкозы. Схема превращения жиров в углеводы представлена на
рис. 74.
Наличие ферментативных реакций, лежащих в основе такого превращения,
доказано для прорастающих семян клещевины, тыквы, арахиса и подсолнеч-
ника.
Весьма мало исследован обмен фосфолипидов у растений. Важная роль
этих соединений в протоплазме не подлежит никакому сомнению. На это указы-
вает хотя бы тот факт, что значительная часть белков протоплазмы содержится
в ней в виде сложных белков —фосфолипопротеидов. Например, у дрожжей
содержание фосфолипидов достигает 60—80% от общего количества содержа-
щихся в них липидов.
Превращения фосфолипидов, происходящие особенно интенсивно во время
прорастания семян, начинаются с гидролиза. Под действием ферментов фосфати-
даз происходит отщепление связанных с глицерином двух молекул жирных
кислот. В результате образуются свободные жирные кислоты и освобождается
остальная часть молекулы фосфатида. Эта последняя подвергается дальнейшему
гидролизу под действием фосфатаз, которые обнаружены в проростках различ-
ных растений. Продукты гидролитического расщепления фосфолипидов—гли-
церин, жирные кислоты, фосфорная кислота и азотистое основание —вовлека-
ются далее в различные реакции обмена веществ.
Что касается биосинтеза фосфолипидов в растительном организме, то пока
мало экспериментальных данных по этому вопросу. По аналогии с процессом
образования фосфолипидов в животном организме, у бактерий и у дрожжей
можно предполагать, что биосинтез фосфолипидов в растении теснейшим обра-
зом сопряжен с окислительно-восстановительными процессами, доставляющими
Жиры
I
Ф руктозо-6-ф осф ат
Фруктоза
Сахароза
Г люкозо-6-фосфат
Г люкоза
Глюкозо-1-фосф ат
ADP глюкоза—Крахмал
или
UDP глюкоза
Рис. 74. Схема реакций превращения жиров в углеводы в прора-
стающих семенах масличных растений
энергию, необходимую для образования фосфолипидов, и обменом высокоэнер-
гетических соединений. Действительно, на примере гомогенатов печени показано,
что процесс биосинтеза лецитина идет при участии цитидинтрифосфата следую-
щим образом:
265
холин
Цитидинтри-
фосфат
Фосфорил-
холин
Цитидиндифосфат-
холин
Пирофосфат
и далее:
СН2—OOCR
СН—OOCR'+C—®—ХОЛИН
СН2ОН
ОС-Д-Дигли- Цитидин-
церНД дифосфат-
холин
СН2—OOCR
=^СН—OOCRf + С—(?)
СН2—О—(^р)—холин
Лецитин Цитидин*-
•монофосфат
С —остаток цитидина, (р) —остаток фосфорной кислоты. Значок
означает, что в остатке фосфорной кислоты содержится фосфор 32Р.
Цитидиндифосфатхолин выделен в кристаллическом виде из дрожжей.
Весьма возможно, что биосинтез фосфолипидов в растениях идет в соответствии
с приведенной выше схемой.
Весьма скудны данные об обмене стеролов у растительных организмов.
Опыты по культивированию плесневых грибов и дрожжей на синтетических сре-
дах, в которых единственным источником углеродного питания является сахар,
показывают, что стеролы, как и жиры, образуются из углеводов и что у дрож-
жей эргостерол образуется лишь в аэробных условиях. Исходный материал
для биосинтеза стеролов —радикал ацетила. Так, например, показано, что
дрожжи весьма энергично синтезируют стеролы из уксусной кислоты. Синтез
стеролов из ацетата происходит при участии кофермента А, причем промежуточ-
ные продукты, образующиеся при биосинтезе стеролов, —мевалоновая кис-
лота, изопентенилпирофосфат и сквален (см. с. 322).
Превращения восков в растительном организме также почти не исследованы.
Имеющиеся экспериментальные данные, полученные при изучении содержания
восков в прорастающих семенах, а также молодых растениях капусты и конских
бобов, показывают, что количество восков в листьях возрастает по мере разви-
тия растения. Например, в исходных семенах капусты воска отсутствовали,
а содержание их в листьях взрослых растений составляло0,21 % на сырую массу
листьев. Чрезвычайно интенсивный синтез восков наблюдается у микроорганиз-
мов, особенно у некоторых бактерий. Последние при культивировании их на син-
тетических средах накапливают до 5—11% восков на сухое вещество. Предпо-
лагают, что составные части восков —высокомолекулярные алифатические
спирты, кетоны и углеводороды —образуются из соответствующих жирных
кислот. Это подтверждается опытами, проведенными изотопным методом с листь-
ями капусты и полученными из них гомогенатами. Опыты показали, что главные
составные части воска, содержащегося на поверхности листьев капусты, — угле-
водород «-нонакозан и его производные нонакозанон и нонакозанол, дейс-
твительно образуются путем удлинения углеродной цепочки пальмитиновой
кислоты:
zO +7С2
С14—С—Ск------->• [Сз0]
хон
-со2
——> С29
266
ЛИТЕРАТУРА
Верещагин А. Г. Биохимия триглицеридов. М., 1972.
Голдовский А. М. Теоретические основы производства растительных масел. М., 1958.
Гудвин Э. Сравнительная биохимия каротиноидов. М., 1954.
Нечаев А. 77. и Сандлер Ж- Я- Липиды зерна. М., 1975.
Хефтман Э. Биохимия стероидов. М., 1972.
Штумпф 77. Биосинтез липидов у высших растений. — Труды V Международного био-
химического конгресса. М., 1962, с. 67.
Beevers Н. Microbodies in Higher Plants. «Annual Rev. Plant Physiol.», 30, 159, 1979.
Carotenoids. Edited by O. Isler. Birkhauser Verlag, Basel, 1971.
Eglinton G. a. Hamilton R. Leaf Epicuticular Waxes. «Science», 156, 1322, 1967.
Grunwald C. Plant Sterols. «Annual Rev. Plant Physiol.», 26, 209 , 1975.
Gurr M. J a. James A. T. Lipid Biochemistry: An Introduction (2nd Edition). Chap-
man a. Hall, London, 1975.
Hilditch T. P. a. Williams F. The Chemical Constitution of Natural Fats. London, 1964.
Mazliak P. Lipid Metabolism in Plants. «Annual Rev. Plant Physiol.», 24, 287, 1973.
Глава IX
ФОТОСИНТЕЗ И ХЕМОСИНТЕЗ
«Едва ли какой процесс, совершающийся на
поверхности Земли, заслуживает в такой сте-
пени всеобщего внимания, как тот, далеко
еще не разгаданный процесс, который проис-
ходит в зеленом листе, когда на него падает
луч солнца. Рассматриваемый с химической
точки зрения, — это тот процесс, в котором
неорганическое вещество, углекислота и во-
да превращается в органическое. Рассматри-
ваемый с физической, динамической точки зре-
ния, — это тот процесс, в котором живая
сила солнечного луча превращается в хими-
ческое напряжение, в запас работы. Рассмат-
риваемый с той и другой точки зрения, —
это процесс, от которого в конечной инстан-
ции зависят все проявления жизни на нашей
планете».
/С. А. Тимирязев
Происходящий за счет световой энергии процесс усвоения углекислого
газа зеленым растением и образования органического вещества получил назва-
ние фотосинтеза. Этот процесс —основной источник органических соединений на
Земле и единственный источник свободного кислорода на нашей планете.
Суммарное уравнение фотосинтеза имеет следующий вид:
свет
6СО2+ 12Н2О -----------> С6Н12О6 + 6Н2О + 6О2
: хлорофилл |
В процессе фотосинтеза углекислый газ под влиянием солнечного света,
поглощенного хлорофиллом, восстанавливается до гексозы и выделяется свобод-
ный кислород.
Первый видимый продукт фотосинтеза, возникающий с чрезвычайной лег-
костью ца свету в зеленых листьях многих растений, —крахмал. Он синтези-
руется из гексоз, образовавшихся в результате фотосинтеза, и обнаруживается
в ассимилирующем листе с помощью иодной пробы
Ю. Сакса. Так, если предварительно обескрахмален-
ный зеленый лист закрыть черной фотографической
бумагой и вырезать в бумаге надпись, затем выста-
вить этот лист на солнечный или сильный искусствен-
ный свет, то фотосинтез и образование крахмала бу-
дут происходить только в освещенных участках листа.
В этом легко убедиться, обесцветив лист путем ки-
пячения со спиртом и обработав затем его водным
раствором иода в иодистом калии, дающим с крахма-
лом синее или фиолетовое окрашивание. Освещавшие-
ся участку листа, содержащие крахмал, окрасятся при
Рис 75 Обоазование кпах- ЭТ0М В ТеМНЫЙ ЦВСТ (рис. 75).
гИС» < О» V_/Up ЗоОВЗНИс КрЗХ т/ < гул
мала в освещенных участ- К. А. Тимирязев впервые показал, что процесс
ках листа фотосинтеза подчиняется основному закону фотохи-
268
мии, согласно которому световая энергия
должна быть прежде всего поглощена для
того, чтобы произвести какую-либо работу.
Количество световой энергии, затрачи-
ваемой при фотосинтезе на образование
одной грамм-молекулы гексозы, равно 686
большим калориям.
По выражению Ч. Дарвина, хлорофилл
представляет собой одно из интереснейших
органических соединений живой природы.
Свойства хлорофилла в настоящее время
изучены весьма подробно главным образом
благодаря блестящим работам М. В. Ненц-
кого, К. А. Тимирязева, М. С. Цвета,
Р. Вильштеттера и Г. Фишера. У высших
растений и зеленых водорослей существует
два вида хлорофилла, имеющих следую-
щий состав: хлорофилл a C55H72O5N4Mg;
хлорофилл b C55H70O6N4Mg. Структурная
формула хлорофилла .а имеет следующий
вид:
Климент Аркадьевич Тимирязев
(1843—1920)
сн2 СО
С20Н39О—с=о осн3
\ у / \_v- /
остаток остаток
фитола метилового
спирта
Хлорофилл а
Правильность этой структурной формулы хлорофилла была подтверждена
его полным синтезом, осуществленным Р. Б. Вудвордом с сотрудниками.
Из приведенной структурной формулы видно, что хлорофилл содержит четыре
соединенных между собой остатка пиррола, которые образуют порфириновое
ядро (пиррольные группы отмечены в формуле цифрами I, II, III, IV). Порфири-
новое ядро связано двумя основными и двумя дополнительными валентностями
с атомом магния.
Вместе с тем структурная формула хлорофилла а свидетельствует о том, что
269
хлорофилл представляет собой сложный эфир двуосновнбй кислоты и двух спир-
тов — метилового и высокомолекулярного непредельного спирта фитола, имею-
щего следующее строение:
СН3—СН—СН2— сн2—сн,—сн—сн2—сн2
I I
сн3 сн3
нон2с—сн=с—сн2—сн2—сн2-сн—сн2
СН3 (!н3
Фитол является производным изопрена.
Именно наличие остатка фитола в хлорофилле придает последнему липидные
свойства, проявляющиеся в его растворимости в жировых растворителях.
При настаивании зеленых листьев в этиловом спирте можно заметить обра-
зование в клетках зеленых кристаллов. Кристаллы эти представляют собой
этил хлорофилл ид — продукт замещения остатка фитола в хлорофилле остатком
этилового спирта. Расщепление сложноэфирной связи между карбоксильной
группой молекулы хлорофилла и остатком фитола с последующим замещением
этого последнего остатком этилового спирта происходит под действием особого
фермента —хлорофиллазы (см. с. 129).
Хлорофилл b отличается от хлорофилла а тем, что у второго пиррольного
остатка вместо метильной группы содержится формильная О=С—Н. По своему
строению хлорофилл весьма близок к некоторым важным оксидоредуктазам
(пероксидазе, каталазе и цитохромоксидазе), а также к красящему веществу
крови —гему. В состав этих ферментов и гема также входят четыре пиррольных
остатка, соединенных в виде порфиринового ядра.
Некоторые бактерии, способные к усвоению углекислоты на свету (пурпур-
ные серобактерии), содержат не хлорофилл, а бактериохлорофилл, имеющий
эмпирическую формулу C55H74O6N4Mg и следующее строение:
СН2
сн2 со
I I
с20н39о—с=о осн3
\ ___/ \w____f
Остаток Остаток
фитола метилового
спирта
Бактериохлорофилл а
270
Фотосинтезирующая бактерия Chlorobium —простейшая из известных
фотосинтезирующих организмов, содержит целый набор различных хлоро-
филлов. В небольшом количестве в ней присутствует бактериохлорофилл, в со-
став которого входит остаток фитола. Остальные хлорофиллы Chlorobium вместо
фитола содержат фарнезол и имеют следующую структуру:
R' R"
1. СН2СН(СН3)2 СН2СН3
2. СН2СН2СН3 СН2СН3
3. СН2СН(СН3)2 сн3
4. СН2СН3 СН2СН3
5. СН2СН2СН3 СН3
6. СН2СН3 сн3
zch3
чсн3
В бурых водорослях содержатся два хлорофилла с, один из которых имеет
следующую стр уктур у:
^Хлорофилл с
У красных водорослей в процессе фотосинтеза участвуют фикоэритрины,
а у синезеленых водорослей —фикоцианины. Фикоэритрины и фикоцианины
принадлежат к группе так называемых билипротеинов, состоящих из белка и
271
простетической группы —фикобилина. Фикобилины фикоэритринов называют
фикоэритробилинами, а фикобилины фикоцианинов —фикоцианобилинами. Фи-
кобилины имеют в основе тетрапиррольную структуру:
Фикоэритробилин
Наряду с хлорофиллами и фикобилинами третьим классом фотосинтетических
пигментов являются каротцноиды._У высших растений и зеленых водорослей важ-
нейшие каротиноиды, участвующие в процессе фотосинтеза, — fJ-каротин и лю-
теин; у бурых водорослей — Р-каротин и фукоксантин; у красных водорослей —
а-каротин, p-каротин, лютеин и цеаксантин.
Хлорофилл и гем гемоглобина не только весьма близки по своему строению, но и об-
разуются в организмах сходным путем (см. с. 273). Исходные вещества для биосинтеза пор-
фиринового ядра у бактерий и животных — янтарная кислота и гликокол. Гликокол, взаи-
модействуя с фосфопиридоксалем и сукцинилкоферментом А, образует б-аминолевулиновую
кислоту. Этот процесс происходит под действием синтетазы б-аминолевулиновой кислоты.
Далее две молекулы S-аминолевулиновой кислоты при участии б-аминолевулинат-дегидрата-
зы (4.2.1.24) образуют производное пиррола—порфобилиноген, который в результате
ряда ферментативных превращений в конце концов дает соединение, содержащее порфи-
риновое ядро — протопорфирин-9.
Схема биосинтеза протопорфирина представлена на рис. 76.
У высших растений, зеленых и синезеленых водорослей исходное соединение для био-
синтеза 5-аминолевулиновой кислоты — глютаминовая кислота.
Протопорфирин — общий предшественник хлорофиллов и железопорфириновых со-
единений. Если в молекулу протопорфирина включается железо, то образуется железо-
порфирин, который является простетической группой ферментов каталазы и пероксидазы,
а также входит в состав цитохромов, гемоглобинов и легоглобина. Если включается магний,
то образуется магнийпротопорфирин, который через ряд последовательных стадий превра-
щается в тот или иной вид хлорофилла или в бактериохлорофилл.
Биосинтез хлорофиллов и бактериохлорофилла происходит в пластидах зеленых ра-
стений и хроматофорах фотосинтезирующих бактерий, а биосинтез железопорфириновых
комплексов — как в пластидах и хроматофорах, так и в митохондриях — образованиях,
содержащихся в цитоплазме клеток (см. с. 219).
При этом нужно отметить, что хлорофилл b образуется в растениях из хлорофилла а.
Содержание хлорофилла в растениях составляет в среднем около 1 % от су-
хого вещества. Он распределен в клетках растений неравномерно и находится
лишь в особых органеллах клетки —пластидах. Пластиды зеленых клеток
растений, содержащие хлорофилл, называют хлорофилловыми зернами или
хлоропластами. Пластиды, в которых хлорофилл не содержится, а имеются
лишь каротиноиды (в желтых плодах, цветах или корнях), называют хромо-
пластами. Пластиды клеток бесцветных частей растений (например, клубней
картофеля) не содержат пигментов; их называют лейкопластами.
Между тремя видами пластид —хлоропластами, хромопластами и лейко-
пластами — имеются постепенные переходы. Лейкопласты содержатся также
в тех частях растений, которые являются бесцветными лишь на самых ранних
стадиях развития; они могут превращаться в хлоропласты или хромопласты.
Хлоропласты содержат в среднем от 58 до 75о/о воды. Сухое вещество хлоро-
пласта состоит из белков, липидов, хлорофилла и каротиноидов. Состав сухого
272
вещества хл о роп л а стов
колеблется в следующих
пределах (%): белки
36,8 —46,8, липиды
29,0—36,2, минеральные
вещества 6,4—9,6, угле-
воды и другие вещества
8,1—30,2. Хлоропласты
содержат также ДНК и
различные виды РНК.
Хлорофилл распределен
в хлоропласте неравно-
мерно — он содержится
в плоских вытянутых
мембранах разной дли-
ны, пронизывающих хло-
ропласт вдоль и назы-
ваемых ламеллами. У
большинства растений в
отдельных участках хло-
ропласта короткие плос-
кие мешковидные струк-
туры, называемые ти-
лакоидами, образуют
уплотнения — граны.
Граны видны на рис.
77 в виде более темных
участков хлоропласта.
Каждая грана состоит
как бы из стопки отдель-
ных тилакоидов, в мем-
бранах которых заклю-
чен хлорофилл. Граны
ламеллы окружены так
называемой стромой
(матриксом).
В матриксе содер-
жится ряд растворимых
ферментов, участвую-
щих в превращениях
продуктов фотосинтеза—
р ибул озод ифосфатка р бо-
ксилаза, глицеральдеги-
дфосфатдегидрогеназа,
альдолаза, две фрукто-
зодифосфатазы, специфи-
ческая фотосинтетиче-
ская пиридиннуклеотид-
редуктаза и т. д.
23-АЛ
Рис. 76. Схема биосинтеза
протопорфирина
Глицин + пиридоксаль—Р+ сукцинил
<5-АЛ-синтетаза
соон—сн2—сн2—со—ch2nh2
&-Аминолевулиновая кислота (£-АЛ)
<5-АЛ-аза
СоА
СООН
н
дезаминаза
П 11 Ы -----------:
DNHj
Уропорфириноген III (уроген)
Копропорфириноген III (копроген)
Протопорфирин-9 (прото)
Рис. 77. Поперечный срез хло-
ропласта кукурузы (увел, в
40 000 раз)
Рис. 78. Вид тилакоида под
электронным микроскопом. На
части тилакоида видна упаков-
ка в нем квантосом
Каждый тилакоид имеет форму диска, в котором в строго определенном по-
рядке упакованы отдельные частички, являющиеся, по-видимому, мельчайшими
фотосинтетическими структурами и получившие название квантовом. Строе-
ние тилакоида показано на рис. 78.
Химический анализ ламелл хлоропластов шпината показал, что они на 52%
состоят из белка и на 48% —из липидной фракции, которая включает в себя
хлорофиллы а и Ь9 каротиноиды (главным образом лютеины и p-каротин), пласто-
хиноны и витамин Ki, фосфолипиды (галактозилглицериды, фосфатид ил глицерин,
сульфолипиды). Кроме того, в ламеллах содержатся геминовое железо (в составе
цитохромов 66 и /), негеминовое железо (ферредоксин), медь и марганец.
Хлорофилл и другие фотосинтетические пигменты связаны с белками и ли-
пидами нековалентными связями. Тот факт, что хлорофилл находится в листе не
в виде простого раствора, а соединен с белками и липидами, явствует из того,
что спектры поглощения растворов хлорофилла и живого листа существенно
различаются. Сравнение спектров поглощения хлорофилла и бактериохлоро-
филла в растворах, пленках, кристаллах и непосредственно в живых клетках
указывает на то, что молекулы пигментов могут взаимодействовать с белками
и между собой, образуя агрегированные формы. Так, открыты формы хлоро-
филла а с максимумами поглощения при 660, 670, 680, 685, 690, 695, 700 и 720
нанометрах.
Каким же образом хлорофилл участвует в процессе фотосинтеза?
Все имеющиеся в нашем распоряжении экспериментальные данные свиде-
тельствуют о правильности мысли, высказанной в свое время К. А. Тимирязевым
и А. Н. Бахом, согласно которой фотосинтез представляет собой цепь окисли-
тельно-восстановительных реакций. Работами многих исследователей, в том
числе А. Н. Теренина, А. А. Красновского и В. Б. Евстигнеева, установлено,
что хлорофилл и бактериохлорофилл участвуют в фотохимических окислитель-
но-восстановительных реакциях.
Приведенное выше суммарное уравнение фотосинтеза не дает представле-
ния о той сложной цепи окислительно-восстановительных реакций и фотохи-
мических процессов, которые происходят при фотосинтезе.
Согласно современным данным процесс фотосинтеза состоит из трех этапов.
Первый из них заключается в происходящем при участии хлорофилла процессе
фотохимического разложения («фотолиза») воды, сопровождающемся выделе-
нием молекулярного кислорода. Второй этап, состоящий из ряда окислительно-
восстановительных реакций, в которых кроме хлорофилла принимают участие
цитохромы и другие переносчики электронов, сводится к происходящему за
счет световой энергии переносу электронов от воды на NADP+ и образованию
АТР, в котором запасается энергия света. На третьем этапе образовавшиеся
NADPH и АТР используются для восстановления углекислого газа до угле-
вода.
Поглощенная хлорофиллом световая энергия принимает участие в реакциях
первого и второго этапов фотосинтеза; реакции третьего этапа являются темно-
выми, т. е. происходят без участия света. Измерения показали, что процесс вос-
становления одной молекулы углекислого газа до углевода, сопровождающийся
выделением одной молекулы кислорода, требует минимум восемь квантов све-
товой энергии. Таким образом, максимальный квантовый выход фотосинтеза,
т. е. число молекул кислорода, соответствующее одному кванту поглощенной
растением световой энергии, составляет х/8, или 12%.
Р. Эмерсон с сотрудниками определили квантовый выход фотосинтеза при
освещении растений монохроматическим светом различной длины волны. При
этом установлено, что выход остается постоянным на уровне 12% в большей
части видимого спектра, но резко снижается вблизи дальней красной области. Это
275
Рис. 79. Квантовый выход фотосинтеза
(сплошная линия) у Chlorella pyrenoidosa
при освещении светом различной длины
волны. При одновременном освещении све-
том с длиной волны более 680 нм и с дли-
ной волны 650 нм максимальный выход
(12%) восстанавливается^ (пунктирная ли-
ния)
Кружками показана кривая поглощения хлорофил-
ла а, крестиками — хлорофилла Ь
снижение у зеленых растений начинает-
ся при длине волны 680 нм. На рис. 79
видно, что при длине волны, большей
чем 680 нм, свет поглощает только лишь
хлорофилл а; хлорофилл Ь имеет макси-
мум поглощения света при 650 нм, но
уже при 680 нм практически не погло-
щает. При длине волны, большей чем
680 нм, квантовый выход фотосинтеза
может быть доведен до максимальной ве-
личины 12% при условии, что растение
одновременно будет освещаться также
светом с длиной волны 650 нм. Иначе
говоря, если свет, поглощаемый хлоро-
филлом а, дополняется светом, погло-
щаемым хлорофиллом 6, то квантовый
выход достигает нормальной величины.
Подобное усиление интенсивности фото-
синтеза при одновременном освещении
растения двумя лучами монохроматиче-
ского света различной длины волны по
сравнению с его интенсивностью, наблю-
даемой при раздельном освещении этим
же светом, получило название эффекта
Эмерсона. Опыты с различными комби-
нациями дальнего красного света и све-
та с более короткой длиной волны над
зелеными, красными, синезелеными и бу-
рыми водорослями показали, что наибольшее усиление фотосинтеза наблюдает-
ся в том случае, если второй луч с более короткой длиной волны поглощает-
ся главным образом важнейшим из вспомогательных пигментов.
У зеленых растений такими вспомогательными пигментами служат кароти-
ноиды и хлорофилл 6, у красных водорослей —каротиноиды и фикоэритрин,
у синезеленых — каротиноиды и фикоцианин, у бурых водорослей — кароти-
ноиды и фукоксантин (см. с. 255).
Дальнейшее изучение эффекта Эмерсона привело к заключению, что вспомо-
гательные пигменты передают путем резонанса от 80 до 100% поглощенной ими
световой энергии хлорофиллу а. Таким образом, хлорофилл а аккумулирует све-
товую энергию, поглощаемую растительной клеткой, и затем использует ее в фо-
тохимических реакциях фотосинтеза.
Это явление частичного восприятия световой энергии хлорофиллом а так
сказать «из вторых рук» получило дальнейшее развитие и объяснение после
того, как было открыто, что хлорофилл а присутствует в живой клетке в виде
форм с различными спектрами поглощения и различными фотохимическими функ-
циями. Одна форма хлорофилла а, максимум поглощения у которой находится
при 700 нм, принадлежит к пигментной системе, получившей название фото-
система I, вторая форма хлорофилла а, у которой максимум поглощения нахо-
дится при 680 нм, принадлежит к пигментной системе (фотосистеме) II. И в пер-
вой и во второй фотосистемах не все молекулы пигментов непосредственно участ-
вуют в химическом процессе фотосинтеза. Из 300 молекул хлорофилла, а также
ряда молекул других пигментов, имеющихся в основной фотосинтетической еди-
нице хлоропластов (квантосоме), почти все играют роль «антенны», поглощающей
световую энергию и передающей ее «реактивному центру», который в фотосистеме
I представляет собой молекулу хлорофилла аР700, а в фотосистеме II —молекулу
276
хлорофилла аР680. В фотосистеме I поглощенная световая энергия воспринима-
ется каротиноидами и затем передается через посредство хлорофилла Ь, хлоро-
филлов а 600, 670, 678, 685, 690 и 705—720 в реактивный центр, содержащий мо-
лекулу хлорофилла а 700.
В фотосистеме II поглощенная каротиноидами световая энергия посредством
хлорофилла 6, хлорофиллов а 660, 670, 678 и 685 передается реактивному центру,
содержащему молекулу хлорофилла а 680.
У красных и синезеленых водорослей в передаче световой энергии, поглощен-
ной каротиноидами, участвуют фикобилины.
Участие этих двух фотосистем в процессе фотосинтеза можно представить
в виде схемы, изображенной на рис. 80. Из схемы видно, что электроны (водо-
родные атомы) от какого-то промежуточного донора Z, образующегося при
фотолизе воды, благодаря энергии, усвоенной фотосистемой II и скопившейся
в «пигменте 680», передаются связанным с ней пластохинону и цитохрому &6. За-
тем электроны передаются пластоцианину и цитохрому /, причем в процессе
этой передачи происходит синтез АТР из ADP. Цитохром f связан с фотосисте-
мой I. Благодаря энергии света, усвоенной фотосистемой I и аккумулированной
«пигментом 700», электроны передаются затем акцептору X и посредством фер-
редоксина и фермента ферредоксин —МАБР+-редуктазы (1.6.7.1) далее вос-
+6
+'8 2Н5О
е*
О2 +4Н+
Рис. 80. Схема переноса электронов в процессе фотосинтеза. Р680 — пигмент 680,
Р700 — пигмент 700, ФД — ферредоксин, ФГК — фосфоглицериновая кислота, е~—
электроны
\
277
станавливают NADP+. В результате образуется NADPH, который используется
для восстановления фосфоглицериновой кислоты — продукта превращения угле-
кислого газа. Таким образом, световая энергия, поглощенная хлоропластами и
хроматофорами, является той движущей силой, благодаря которой образуется
NADPH.
Световая энергия, поглощенная хлорофиллом в процессе фотосинтеза,
используется не только на расщепление (фотолиз) воды и синтез NADPH. Часть
световой энергии, поглощаемой хлорофиллом, превращается в химическую энер-
гию, запасаемую впрок в высокоэнергетических связях АТР и используемую на
третьем, темновом этапе фотосинтеза при превращении углекислого газа в угле-
воды. Этот процесс сопровождается потреблением неорганического фосфата и
получил название фотосинтетического фосфорилирования.
Фотосинтетическое фосфорилирование было обнаружено Д. Арноном с со-
трудниками и другими исследователями в опытах с изолированными хлоропласта-
ми высших растений и с бесклеточными препаратами из различных фотосинте-
зирующих бактерий и водорослей. При фотосинтезе происходят два типа фото-
синтетического фосфорилирования: циклическое и нециклическое. При обоих
видах фотофосфорилирования синтез АТР из ADP и неорганического фосфата
происходит на этапе передачи электронов от цитохрома bQ к цитохрому f (см.
рис. 80).
Синтез АТР осуществляется при участии упоминавшегося нами уже ранее
(см. с. 221) АТРазного комплекса, «вмонтированного» в белково-липидную мем-
брану тилакоида с ее внешней стороны. Согласно теории Митчелла, так же, как
и в случае окислительного фосфорилирования в митохондрии, находящаяся в
мембране тилакоида цепь переноса электронов функционирует как «протонный
насос», создавая градиент концентрации протонов. Однако в данном случае про-
исходящий при поглощении света перенос электронов вызывает их перемещение
снаружи во внутрь тилакоида и возникающий трансмембранный потенциал
(между внутренней и внешней поверхностью мембраны) обратен тому, который
образуется в мембране митохондрии. Электростатическая энергия и энергия
градиента протонов используется для синтеза АТР АТР-синтетазой.
При нециклическом фотофосфорилировании электроны, поступившие от
воды и соединения Z к фотосистеме II, а затем к фотосистеме I, направляются
к промежуточному соединению X, а затем используются на восстановление NADP+
до NADPH; их путь здесь заканчивается. При циклическом фотофосфорилиро-
вании электроны, поступившие от фотосистемы I к соединению X, направляются
снова к цитохрому bQ и от него далее к цитохрому f, участвуя на этом последнем
этапе своего пути в синтезе АТР из ADP и неорганического фосфата. Таким об-
разом, при нециклическом фотофосфорилировании перемещение электронов
сопровождается синтезом АТР и NADPH. При циклическом фотофосфорилиро-
вании происходит только синтез АТР, a NADPH не образуется.
АТР, образовавшийся в процессе фотофосфорилирования и дыхания, ис-
пользуется не только при восстановлении фосфоглицериновой кислоты до угле-
вода,но и в других синтетических реакциях —при синтезе крахмала, белков, ли-
пидов, нуклеиновых кислот и пигментов. Он также служит источником энергии
для процессов движения, транспорта метаболитов, поддержания ионного баланса
и т. д.
На рис. 80 видно, что в переносе электронов при фотосинтезе, сопровождаю-
щемся образованием NADPH и АТР, помимо цитохромов и ферредоксина участ-
вуют пластоцианин и пластохиноны. Пластоцианин представляет собой содер-
жащий медь белок, состоящий из одной полипептидной цепочки с молекуляр-
ной массой около 10 500. Одна его молекула приходится на 400 молекул хлоро-
филла. В пластоцианине атом меди соединен координационными связями с остат-
ками цистеина, метионина и имидазольными, группами двух остатков гистидина.
278
В хлоропластах открыты пять форм пластохинонов, обозначаемых буквами
А, В, С, D и Е, являющихся производными бензохинона. Так, например, пласто-
хинон А представляет собой 2,3-диметил-5-соланезилбензохинон:
О
н,спП
НзС-II^J—[СН2—СН=С-СН2]9—н
II
о
Пластохиноны весьма близки по строению к убихинонам (коэнзимам Q, см.
с. 217), играющим важную роль в процессе переноса электронов при дыхании.
Важная роль пластохинонов в процессе фотосинтеза следует из того факта, что
если их экстрагировать из хлоропластов петролейным эфиром, то фотолиз воды
и фотофосфорилирование прекращаются, но возобновляются после добавки
пластохинонов.
Каковы детали функциональной взаимосвязи различных пигментов и пере-
носчиков электронов, участвующих в процессе фотосинтеза, —цитохромов,
ферредоксина, пластоцианина и пластохинонов, —должны показать дальнейшие
исследования. Во всяком случае, каковы бы ни были детали этого процесса,
в настоящее время очевидно, что световая фаза фотосинтеза приводит к образо-
ванию трех специфических продуктов: NADPH, АТР и молекулярного кисло-
рода.
Какие же соединения образуются в результате третьего, темнового этапа
фотосинтеза —ассимиляции углекислого газа?
Существенные результаты, проливающие свет на природу первичных про-
дуктов, образующихся при фотосинтезе, получены с помощью изотопной мето-
дики. В этих исследованиях растения ячменя, а также одноклеточные зеленые
водоросли Chlorella и Scenedesmus получали в качестве источника углерода угле-
кислый газ, содержавший меченый радиоактивный углерод 14С. После чрезвы-
чайно кратковременного облучения подопытных растений, исключавшего воз-
можность вторичных реакций, исследовалось распределение изотопного углеро-
да в различных продуктах фотосинтеза. Было установлено, что первый продукт
фотосинтеза —фосфоглицериновая кислота; вместе с тем при весьма кратко-
временном облучении растений наряду с фосфоглицериновой кислотой образу-
ется незначительное количество фосфоенолпировиноградной и яблочной кислот.
Например, в опытах с одноклеточной зеленой водорослью Scenedesmus после
фотосинтеза, продолжавшегося пять секунд, 87% изотопного углерода было об-
наружено в составе фосфоглицериновой кислоты, 10% —в фосфоенолпировино-
градной кислоте и 3% —в яблочной кислоте. По-видимому, фосфоенолпировино-
градная кислота является продуктом вторичного превращения фосфоглицери-
новой кислоты.
При более длительном фотосинтезе, продолжающемся 15—60 секунд, радио-
активный углерод 14С обнаруживается также в гликолевой кислоте, триозофосфа-
тах, сахарозе, аспарагиновой кислоте, аланине, серине,’ гликоколе, а также в
белках. Позже всего меченый углерод обнаруживается в глюкозе, фруктозе,
янтарной, фумаровой и лимонной кислотах, а также в некоторых аминокислотах
и амидах (треонин, фенилаланин, тирозин, глютамин, аспарагин).
Таким образом, опыты с усвоением растениями углекислого газа, содержа-
щего меченый углерод, показали, что первым продуктом фотосинтеза является
фосфоглицериновая кислота.
Возникает вопрос о том, к какому веществу присоединяется углекислый газ
в процессе фотосинтеза?
279
Работы М. Кальвина, проведенные с помо-
щью радиоактивного углерода 14С, показали, что
у большинства растений соединением, к которо-
му присоединяется СО2, является рибулозоди-
фосфат. Присоединяя СО2, он дает две молекулы
фосфоглицериновой кислоты. Последняя [фосфо-
рилируется при участии АТР с образованием
дифосфоглицериновой кислоты, которая при
участии NADPH восстанавливается и образует
фосфоглицериновый альдегид, частично превра-
щающийся в фосфодиоксиацетон. Благодаря
синтетическому действию, фермента альдолазы,
фосфоглицериновый альдегид и фосфодиоксиаце-
тон, соединяясь, образуют молекулу фруктозо-
дифосфата, из которого далее синтезируются
сахароза и различные полисахариды. Рибуло-
зодифосфат — акцептор СО2, образуется в ре-
зультате ряда ферментативных превращений
фосфоглицеринового альдегида, фосфодиокси-
ацетона и фруктозодифосфата. В качестве про-
межуточных продуктов при этом возникают
эритрозофосфат, седогептулозофосфат, ксилулозофосфат, рибозофосфат и рибу-
лозофосфат. Ферментные системы, катализирующие все эти превращения,
найдены в клетках хлореллы, в листьях шпината и в других растениях.
Согласно М. Кальвину, процесс образования фосфоглицериновой кислоты
из рибулозодифосфата и СО2 носит циклический характер и схематически пред-
ставлен на рис. 81.
В схеме, представленной на рис. 81, цифрами отмечены ферменты, катализирующие
соответствующие превращения. Эти ферменты следующие: 1 — рибулозодифосфат-карбо-
ксилаза, 2 — фосфоглицераткиназа, 3 — дегидрогеназа фосфоглицеринового альдегида,
4 — тризофосфат-изомераза, 5 — альдолаза, 6 — фосфатаза, 7 — транскетолаза, 8 — альдо-
лаза, 9 — фосфатаза, 10 — транскетолаза, 11 — рибозофосфат-изомераза, 12 — фосфо-
кетопентозоэпи мер аз а, 13 — фосфорибулокиназа.
Ассимиляция углекислого газа с образованием фосфоглицериновой кислоты
происходит без участия света и хлорофилла и является темновым процессом.
Водород воды в конечном счете используется на восстановление фосфоглицери-
новой кислоты до фосфоглицеринового альдегида. Этот процесс катализируется
ферментом дегидрогеназой фосфоглицеринового альдегида и в качестве источни-
ка водорода требует участия NADPH. Так как этот процесс в темноте немедленно
прекращается, очевидно, что восстановление NADP осуществляется водородом,
образующимся при фотолизе воды.
Суммарное уравнение цикла Кальвина имеет следующий вид:
6СО2 4~ 12NADPH + 12Н+ 4- 18АТР 4- 11Н2О -> фруктозо-6-фосфат 4-
4- 12NADP+ 4- 18ADP 4- 17Р11еОрг
Таким образом, для синтеза одной молекулы гексозы требуется шесть молекул
СО2. Для превращения одной молекулы СО2 нужно две молекулы NADPH и три
молекулы АТР (1:1,5). Так как при нециклическом фотофосфорилировании от-
ношение образующихся NADPH : АТР составляет 1:1, добавочное необходимое
количество АТР синтезируется в процессе циклического фотофосфорилирования.
Путь углерода при фотосинтезе изучался Кальвином при сравнительно
высоких концентрациях СО2. При более низких концентрациях, приближаю-
щихся к атмосферным (0,03%), в хлоропласте под действием рибулозодифосфат-
карбоксилазы образуется значительное количество фосфогликолевой кислоты.
280
ADP
АТР
СН2ОН
со
Сб2
I 2 з
неон неон -----5---
| АТР | NADPH
СООН ОСО®
фосфоглицери- дифосфоглице-
новая кислота риновая кислота
неон
4
СОН
фосфогли-
цериновый
альдегид
полисахариды,
сахароза
СН2О®
рибулозо-5-
фосфат
сн2о(р)
О
неон
неон
неон
10
неон
неон
рибулозо-1,5-
дифосфат
неон
н<!:он
СН2О®
рибозо-5-
фосфат
СНО
СН2ОН
СО
СО
НОСН
носн
9
неон
неон
неон
неон
неон
неон
сн2он
со
носн
неон
седогептулозо-7-
фосфат
сн2о®
ксилулозо-5-фосфат
СН2О®
седогептулозо-1,7-
дифосфат
сн2о(р)
Фруктозо-6-
фосфат
эритрозо-4-
фосфат
Н2СОН
фосфоди-
оксиацетон
неон
сн2о®
СО фруктозо-1,6-
J дифосфат
6
сно
неон
Рис. 81. Схема биохимических превращений
углерода при фотосинтезе (цикл Кальвина)
Последняя в процессе транспорта через мембрану хлоропласта гидролизуется
специфической фосфатазой, и образовавшаяся гликолевая кислота перемещается
из хлоропласта в связанные с ним субклеточные структуры —пероксисомы
(рис. 82), где под действием фермента гликолатоксидазы окисляется до глиокси-
левой кислоты НОС—СООН. Последняя путем переаминирования образует
глицин, который, перемещаясь в митохондрию, превращается здесь в серин.
Это превращение сопровождается образованием СО2 и NH3: 2 глицин + Н2О —
серин + СО2 + NH3 +2Н+ 4-2е". Однако аммиак не выделяется во внешнюю
среду, а связывается в виде глютамина.
Таким образом, пероксисомы и митохондрии принимают участие в процессе
так называемого фотодыхания—стимулируемого светом процесса поглощения
кислорода и выделения СО2. Этот процесс связан с превращениями гликолевой
кислоты и ее окислением до СО2. В результате интенсивного фотодыхания
может значительно (до 30 %) снижаться продуктивность растений.
Усвоение СО2 в процессе фотосинтеза происходит не только путем карбокси-
лирования рибулозодифосфата, но и путем карбоксилирования других соедине-
ний. Например,показано, что у сахарного тростника, кукурузы, сорго, проса
и ряда других растений особенно важную роль в процессе фотосинтетической
281
Рис. 82. Пероксисома, связанная с хлоропластом, в клетке листа табачного
растения:
пероксисома окрашена в темный цвет реактивом на каталазу; справа и слева от нее расположены
митохондрии
фиксации играет фермент фосфоенолпируват-карбоксилаза, синтезирующая из
фосфоенол пирувата, СО2 и воды щавелевоуксусную кислоту (см. с. 286).
Растения, у которых первым продуктом фиксации СО2 является фосфогли-
цериновая кислота, принято называть С3-растениями, а те, у которых синтези-
руется щавелевоуксусная кислота, —С4-растениями. Упоминавшийся выше
процесс фотодыхания характерен для С3-растений и является следствием инги-
бирующего действия кислорода на рибулозодифосфат-карбоксилазу.
У фотосинтезирующих бактерий фиксация СО2 происходит при участии
ферредоксина. Так, из фотосинтезирующей бактерии Chromatium выделена и
частично очищена ферментная система, которая при участии ферредоксина ката-
лизирует восстановительный синтез пировиноградной кислоты из СО2 и ацетил-
коэнзима А:
Ацетил-СоА + СО2 ферредоксин —> пируват + ферредоксин СоА
восстановл. окислен.
Аналогичным образом при участии ферредоксина в бесклеточных ферментных
препаратах, выделенных из фотосинтезирующей бактерии Chlorobium thiosul-
fd&philurn, происходит синтез а-кетоглютаровой кислоты путем карбоксили-
рования янтарной кислоты:
Сукцинил-СоА + СО2 + ферредоксин-> а-кетоглютарат 4- СоА ферредоксин
восстановл. окислен.
У некоторых микроорганизмов, содержащих бактериохлорофилл, так назы-
ваемых пурпурных серобактерий, на свету также происходит процесс фотосин-
теза. Однако в отличие от фотосинтеза высших растений в данном случае восста-
новление углекислого газа осуществляется сероводородом. Суммарное уравне-
ние фотосинтеза у пурпурных бактерий можно представить следующим образом:
282
свет
С02 + 2H9S--------------------> СН2О + Н20 + 2S
бактериохлорофилл
Таким образом, и в данном случае фотосинтез представляет собой сопряжен-
ный окислительно-восстановительный процесс, идущий под влиянием погло-
щенной бактериохлорофиллом световой энергии. Из приведенного уравнения
видно, что в результате фотосинтеза пурпурные бактерии выделяют свободную
серу, которая накапливается в них в виде гранул.
Исследования, проведенные при помощи изотопной методики с анаэробной
фотосинтезирующей пурпурной бактерией Chromatium, показали, что при очень
коротких сроках фотосинтеза (30 секунд) около 45% углерода СО2 включается
в аспарагиновую кислоту, а около 28% —в фосфоглицериновую кислоту. По-
видимому, однако, образование фосфоглицериновой кислоты предшествует об-
разованию аспарагиновой кислоты, а наиболее ранним продуктом фотосинтеза у
Chromatium, так же как у высших растений и одноклеточных зеленых водо-
рослей, является рибулозодифосфат. Последний под действием рибулозодифосфат-
карбоксилазы присоединяет СО2 с образованием фосфоглицериновой кислоты. Эта
кислота у Chromatium в соответствии со схемой Кальвина может частично пре-
вращаться в фосфорилированные сахара, а в основном превращается в аспара-
гиновую кислоту. Образование аспарагиновой кислоты происходит путем пре-
вращения фосфоглицериновой кислоты в фосфоенолпировиноградную кислоту,
которая, подвергаясь карбоксилированию, дает щавелевоуксусную кислоту;
последняя путем переаминирования дает аспарагиновую кислоту.
Процесс фотосинтеза, происходящий при участии хлорофилла, в настоящее
время —главный источник образования органического вещества на Земле. Здесь
нужно отметить, что одноклеточные фотосинтезирующие водоросли в анаэробных
условиях выделяют газообразный водород. Изолированные хлоропласты высших
растений, освещаемые в присутствии фермента гидрогеназы, катализирующего
реакцию 2Н+ + 2е" Н2, также выделяют водород. Таким образом возможно
фотосинтетическое получение водорода в качестве топлива. Этот вопрос, особен-
но в условиях энергетического кризиса, привлекает к себе большое внимание.
Недавно В. Стокениусом был открыт принципиально новый вид фотосинтеза.
Оказалось, что у бактерии На1оЬас1егштНа1оЬшт.жиъуш^и в концентрирован-
ных растворах хлористого натрия, в окружающей протоплазму белково-липидной
мембране содержится хромопротеид бактериородопсин, аналогичный родопси-
ну— зрительному пурпуру глаза животных. В бактериородопсине ретиналь
(альдегидная форма витамина А) связан с белком, имеющим молекулярную массу
равную 26 534. По данным лаборатории Ю. А. Овчинникова, он состоит из 247
аминокислотных остатков. Поглощая свет, бактериородопсин участвует в про-
цессе превращения световой энергии в химическую энергию высокоэнергетических
связей АТР. Таким образом, не содержащий хлорофилла организм способен с
помощью бактерио£одопсина использовать световую энергию для синтеза АТР
и обеспечения клетки энергией.
Существуют микроорганизмы, которые усваивают углекислый газ и синтези-
руют из него органические вещества, используя для этого энергию, образую-
щуюся при окислении различных неорганических соединений: сероводорода,
серы, водорода, аммиака, азотистой кислоты, закисных соединений железа и
марганца. Такой процесс, происходящий за счет энергии, выделяющейся при
химических реакциях окисления неорганических соединений, получил название
хемосинтеза. Хемосинтез был открыт знаменитым русским микробиологом
С. Н. Виноградским. Его классические исследования показали, что синтез орга-
нического вещества происходит в природе не только путем фотосинтеза в зеленых
растениях, но идет также в больших масштабах путем хемосинтеза у микроорга-
низмов, не содержащих хлорофилла.
283
Сергей Николаевич Виноградский
(1856—1953)
В водоемах, вода которых содержит серо-
водород, живут так называемые бесцветные се-
робактерии. Энергию, необходимую для синте-
за органических соединений из углекислого га-
за, они получают, окисляя сероводород: 2H2S +
+ О2-> 2Н2О + S2.
Выделяющаяся в результате свободная сера
накапливается в их клетках в виде множества
крупинок.
При недостатке сероводорода бесцветные
серобактерии производят дальнейшее окисление
накопившейся в них свободной серы до серной
кислоты: S2 + ЗО2 + 2Н2О-> 2H2SO4.
Образующаяся в результате окисления се-
ры свободная энергия также используется на
синтез органического вещества из углекислого
газа. Суммарный энергетический эффект окисле-
ния сероводорода до серной кислоты равен 159
килокалориям на каждую окисленную грамм-
молекулу сероводорода. Колоссальные количе-
ства бесцветных серобактерий имеются в Черном
море, в котором глубже 200 метров вода насы-
щена сероводородом.
Микроорганизмы, добывающие энергию, необходимую им для синтеза ор-
ганических соединений, путем окисления аммиака и азотистой кислоты, назы-
вают нитрифицирующими бактериями. Они чрезвычайно широко распростра-
нены в почве и различных водоемах и играют важную роль в круговоро-
те азота в природе.
Аммиак, образующийся при гниении белков в почве или в водоемах, окисля-
ется нитрифицирующими бактериями, которые были названы С. Н. Виноград-
ским Nitrosomonas. Этот процесс соответствует уравнению 2NH3 +ЗО2-> 2HNO2+
+ 2Н2О.
Энергия, выделяющаяся при этом в количестве 158 больших калорий, также
используется для построения органических соединений за счет восстановления
углекислого газа.
Дальнейшее окисление образовавшейся азотистой кислоты до азотной кис-
лоты осуществляется другой группой нитрифицирующих микроорганизмов, на-
званных С. Н. Виноградским Nitrobacter, Это можно выразить следующим урав-
нением: 2HNO2 + О2^± 2HNO3. Процесс сопровождается выделением 43,2 кало-
калорий.
Таким образом очевидно, что процесс окисления аммиака является энерге-
тически значительно более выгодным, чем процесс окисления азотистой кислоты.
В соответствии с этим для того чтобы усвоить один атом углерода, нитритные
микробы должны окислить 35 молекул аммиака; нитратные микробы получают
энергию, необходимую для ассимиляции одного атома углерода, в результате
окисления 135 молекул нитрита.
Нитрифицирующие бактерии являются чрезвычайно специализированными
микроорганизмами —они могут жить при полном отсутствии органических со-
единений, необходимых для развития других микробов. Более того, питатедьнью
органические вещества ядовиты для них. Вместе с тем эти микроорганизмы пред-
ставляют прекрасный пример так называемого сообщества бактерий —микробы,
окисляющие азотистую кислоту, получают ее в результате деятельности микро-
бов, окисляющих аммиак; однако жизнедеятельность нитрифицирующих ми-
кробов невозможна без обычных микроорганизмов —бактерий и плесневых
284
грибов, разлагающих в почвах и водоемах белки, содержащиеся в остатках жи-
вотных и растений, с образованием аммиака.
Процесс нитрификации происходит в природе в огромных масштабах и слу-
жит источником нитратов, содержащихся в’почве, а также в пресных и соленых
водоемах. Таким образом, жизнедеятельность нитрифицирующих бактерий
представляет собой один из важнейших факторов плодородия почвы.
В местностях, где выпадает очень мало осадков, в результате нитрификации
могут накапливаться огромные запасы нитратов. Таковы, например, залежи се-
литры в Чили.
Широко распространены в почве также бактерии, окисляющие водород в
соответствии с уравнением 2Н2 4- О2 = 2Н2О.
Энергетический эффект этой реакции составляет 112 больших калорий.
Водородные бактерии не являются такими строго специализированными орга-
низмами, как, например, нитрифицирующие бактерии. Некоторые из них
могут развиваться также на растворах органических веществ, например глю-
козы, при полном отсутствии водорода. Водородные бактерии окисляют
водород, постоянно образующийся при анаэробном разложении различных
органических остатков микроорганизмами ппивн
Хемосинтезирующие бактерии, окисляющие закисные соединения железа и
марганца с образованием окисных соединений этих металлов, также были от-
крыты С. Н. Виноградским. Они чрезвычайно широко распространены как в
пресных, так и в морских водоемах. Благодаря их жизнедеятельности на дне
болот и морей образуются огромные количества отложений руд железа и марганца.
Академик В. И. Вернадский, основатель геохимии, говорил о залежах железных
и марганцевых руд как о результате жизнедеятельности этих бактерий в древние
геологические периоды.
При исследовании химизма ассимиляции меченого углекислого газа 14СО2
различными хемосинтезирующими бактериями (Thiobacillus denitr if leans, Thio-
bacillus thiooxydans, Thiobacillus thiopar us, Hydrogenomonas facilis) показано, что
первым стойким продуктом хемосинтеза является -фосфоглицерйновая кислота.
В этих бактериях содержится рибулозодифосфат, который стимулирует ассими-
ляцию 14СО2, сопровождающуюся образованием меченой фосфоглицериновой
кислоты. На этом основании считают, что при хемосинтезе, так же как и при
фотосинтезе, присоединение углекислого газа к рибулозодифосфату является
основным механизмом ассимиляции СО2.
В процессе окисления серы у хемосинтезирующих серобактерий накапли-
ваются высокоэнергетические соединения — аденозинтрифосфорная кислота
и полифосфаты. Таким образом, часть энергии, выделяющейся при окислении
неорганических веществ хемосинтезирующими организмами, используется на
восстановление ассимилируемого углекислого газа и на синтез органического
вещества, а часть ее запасается впрок в виде высокоэнергетических соединений.
Рассмотренные нами процессы фотосинтеза и хемосинтеза — источники
органического вещества на Земле. Организмы, создающие органическое вещество
путем фотосинтеза или хемосинтеза, способные синтезировать органическое
вещество из углекислого газа, называют автотрофами (самостоятельно питающи-
мися). Все остальные организмы, использующие органические вещества, синте-
зированные высшими растениями или микроорганизмами-хемосинтетиками, на-
зывают гетеротрофами. К их числу принадлежат бактерии, грибы, лишенные
хлорофилла растения-паразиты (например, заразиха) и весь животный мир.
В 1914 г. А. Ф. Лебедев на основании своих опытов с плесневыми грибами
высказал мысль о том, чтолетеротрофные организмы могут частично ассимили-
ровать углерод не только из готовых органических соединений, но также и из
углекислого газа. Эта мысль за последние годы была полностью подтверждена
экспериментальными исследованиями Г. Вуда, К. Беркмана, С. Очоа и др. Ока-
I
285
залось, что все гетеротрофы способны усваивать углекислый газ, связывая его
с некоторыми кетокислотами. Гетеротрофная фиксация СО2 может осуществлять-
ся различными путями. Один из них — это широко распространенный восстано-
вительный путь, включающий следующие реакции:
катализируемая изоцитратдегидрогеназой (1.1.1.42)
L-изоцитрат + NADP+ а-кетоглютарат 4- СО2 + NADPH 4- Н+
катализируемая малатдегидрогеназой ' (декарбоксилирующей) (NADP+)
(1.1.1.40)
L-малат 4- NADP+ пируват 4- СО2 + NADPH 4- Н+
Второй путь гетеротрофной фиксации СО2 осуществляется благодаря карбокси-
лированию фосфоенолпирувата по одному из следующих механизмов:
Фосфоенолпируват -
Фосфоенолпируват + Н2О + СО2-----------------> оксалоацетат + Рнеорг
карбоксилаза
фосфоенолпируват -
Фосфоенолпируват 4- СО2 + GDP - - —> оксалоацетат 4- GTP
карбоксикиназа (GTP)
фосфоенолпируват г
Фосфоенолпируват + СО2 + Рнеорг-----:---------> оксалоацетат 4- пирофосфат
карбоксикиназа
(пирофосфат)
Фосфоенолпируват-карбоксилаза (4.1.1.31) найдена только у растений и у
некоторых автотрофных бактерий. Фосфоенолпируват-карбоксикиназа (GTP)
(4.1.1.32) содержится в растениях, микроорганизмах и животных тканях. Пос-
ледний из этих ферментов — фосфоенолпируват-карбоксикиназа (пирофосфат)
(4.1.1.38) — найден у пропионовокислых бактерий. Мы уже указывали, что у
некоторых растений фотосинтетическая фиксация СО2 (см. с. 282) осуществляет-
ся не столько путем карбоксилирования рибулозодифосфата под действием ри-
булозодифосфат-карбоксилазы, сколько при участии фосфоенолпируват-карбо-
ксилазы, причем из фосфоенолпирувата, СО2 и Н2О синтезируется щавелевоук-
сусная кислота (оксалоацетат), легко превращающаяся при восстановлении в
яблочную, а при переаминировании в аспарагиновую кислоту.
Наконец, третий тип гетеротрофной фиксации СО2, имеющий особенное
значение при синтезе жирных кислот, осуществляется при участии ферментов,
содержащих в качестве коэнзима биотин. Эти ферменты катализируют реакции,
в которых, за одним исключением, участвуют эфиры коэнзима А. Реакции эти
идут в две стадии:
Энзим-биотин 4- НСО~ + АТР энзим-биотин со СО~ + ADP 4- Рнеорг
Энзим-биотин со СО~ 4- R—СН2—COSCoA энзим-биотин 4- R—СН—COSCoA
СОСГ
Здесь R может представлять собой атом водорода, как в ацетил-СоА, или группу
СН3, как в пропионил-СоА.
Как показали работы А. Л. Курсанова, А. М. Кузина и ряда других ис-
следователей, гетеротрофное усвоение углекислого газа свойственно также и
корням высших зеленых растений. Усвоенный корнями углекислый газ почвы,
по-видимому, включается в обмен веществ растения следующим образом. Сахара,
образовавшиеся в листьях при ассимиляции СО2 из воздуха, движутся -вниз к
корням. Здесь они подвергаются расщеплению, в результате которого образу-
ется пировиноградная кислота. Последняя в соответствии с приведенными выше
286
уравнениями присоединяет к себе СО2 почвы, образуя щавелевоуксусную кисло-
ту, которая, включаясь в цикл трикарбоновых кислот (см. с. 214), превраща-
ется в яблочную, лимонную и другие органические кислоты. Образовавшиеся
таким образом органические кислоты, содержащие СО2 почвы, передвигаются
затем в листья, где используются в процессе фотосинтеза на образование угле-
водов, аминокислот и других продуктов.
Таким образом, открыт дополнительный источник углеродного питания ра-
стений за счет углекислого газа почвы.
В заключение необходимо, однако, подчеркнуть коренное различие между
гетеротрофами и автотрофами. Оно заключается в том, что автотрофы могут
синтезировать органические соединения полностью за счет неорганических
веществ — углекислого газа и воды. Гетеротрофы же, хотя и способны в неко-
торой мере усваивать углекислоту, но могут это делать, лишь имея в своем рас-
поряжении готовые органические соединения, например пировиноградную
кислоту.
ЛИТЕРАТУРА
Вечер А. С. Пластиды растений. Минск, 1961.
Виноградов А. П. Изотопы кислорода и фотосинтез. М., 1962.
Виноградский С. Н. Микробиология почвы. Проблемы и методы. М., 1952.
Годнее Т. Н. Хлорофилл. Его строение и образование в растении. Минск, 1963.
Гуринович Г. П., Севченко А. Н. и Соловьев К- Н. Спектроскопия хлорофилла и род-
ственных соединений. Минск, 1968.
Зелитч И. Биохимическая и генетическая регуляция фотодыхания. — Физиология и
биохимия культурных растений, 1976, т. 8, вып. 5, с. 484.
Красновский А. А. Биологическое преобразование солнечной энергии. Вестник АН СССР,
1979, №1, с. 83.
Красновский А. А. Пребразование энергии света при фотосинтезе. Молекулярные ме-
ханизмы. М., 1974.
Лис Г, Биохимия автотрофных бактерий. М., 1958. _
Островский ЛГ.^4. Проблема бактерио родопсина. Вестник АН СССР, 1979, №9, с. 129.
Тимирязев К. А. Избранные работы по хлорофиллу и усвоению света растением. М.,
1948.
Шлык А. А. Метаболизм хлорофилла в зеленом растении. Минск, 1965.
Amon D. Photosynthetic Activity of Isolated Chloroplasts. «Physiol. Rev.», 47, 317,
1967.
Avron Л4., Neumann J. Photophosphorylation in Chloroplasts. «Annual. Rev. Plant
Physiol.», 19, 137, 1968.
Beable S. I. у-Aminolevulinic Acid in Plants: Its Biosynthesis, Regulation and Role in
Plastid Development. «Annual Rev. Plant Physiol.», 29, 95, 1978.
Bogorad L. Phycobiliproteins and Complementary Chromatic Adaptation. «Annual Rev.
Plant Physiol.», 26, 369, 1975.
Brown J. S. Forms of Chlorophyll in vivo. «Annual Rev. Plant Physiol.», 23, 73, 1972.
Calvin M. The Path of Carbon in Photosynthesis. «Science», 135, 879, 1962.
Chollet R. The Biochemistry of Photorespiration. «Trends in Biochemical Sciences»,
2, N 3, 155, 1977.
Cramer W. A. a. Whitmarsh J. Photosynthetic Cytochromes. «Annual. Rev. Plant Physiol.»
28, 133, 1977.
Govindjee a. Rajni Govindjee. The Absorption of Light in Photosynthesis. «Scientific
American», 231, N 6, 68, 1974.
Hinkle P. C. a. McCarty R. E. How Cells Make ATP. «Scientific American», 238, N 3,
104, 1978.
Marks G. S. The Biosynthesis of Heme and Chlorophyll. «Bot. Rev.», 32, 56, 1966.
Stockenius W. The Purple Membrane of Salt-loving Bacteria. «Scientific American», 234,
38, 1976.
«The Chlorophylls», Edited by L. P. Vernon a. Q. R. Seely. Academic Press, New York,
1966.
Trebst A. Energy Conservation in Photosynthetic Electron Transport of Chloroplasts.
«Annual Rev. Plant Physiol.», 25, 423, 1974.
Глава X
РАСТИТЕЛЬНЫЕ ВЕЩЕСТВА ВТОРИЧНОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ
И ИХ ОБМЕН
В растениях наряду с белками, нуклеиновыми кислотами, углеводами, липи-
дами и витаминами содержатся различные вещества, называемые обычно вещест-
вами вторичного происхождения. Часто они играют весьма важную роль в обме-
не веществ у растений.
Многие-из этих веществ, например некоторые органические кислоты, об-
разуясь в растении, тотчас же используются растительной клеткой для различ-
ных синтетических процессов; они не накапливаются в растении в большом коли-
честве и являются промежуточными продуктами обмена веществ. Для выделения
их из растений иногда необходимо прервать или как-то изменить цепь законо-
мерных превращений веществ в клетке т. е. предотвратить дальнейшее потреб-
ление этих веществ.
Некоторые из этих веществ, накапливаясь в растениях нередко в большом
количестве (фенольные соединения, каучук, эфирные масла), обусловливают
тем самым специфику их обмена.
Многие из рассматриваемых здесь веществ — важнейшие физиологически
активные соединения, например такие, терпеноиды, как гиббереллины, активные
регуляторы роста растений, или убихиноны и пластохиноны, играющие перво-
степенную роль в процессах дыхания и фотосинтеза. Отсюда следует, что термин
«вещества вторичного происхождения» нужно применять как весьма условный.
Некоторые из этих веществ в значительной степени определяют пищевое
и вкусовое достоинство различных продуктов — их вкус и аромат; многие из
них широко используются в технике и медицине.
В растениях содержится огромное разнообразие веществ вторичного проис-
хождения. Рассмотрим наиболее важные из них.
Гидроароматические соединения, встречающиеся в растениях в свободном
виде, а также в виде эфиров.
Фенольные соединения — большая и чрезвычайно широко распространен-
ная группа соединений, играющая важную роль в обмене веществ и имеющая
большое практическое значение.
Гликозиды — вещества, определяющие вкус и аромат некоторых пищевых
288
продуктов растительного происхождения. Многие гликозиды широко применя-
ются в медицине в качестве лекарственных веществ.
Эфирные масла — легколетучие вещества, содержащиеся во многих расте-
ниях. Употребляются в качестве душистых веществ в парфюмерной промышлен-
ности. Смолы.
Каучук и гутта — вещества, играющие исключительно важную роль в ряде
отраслей промышленности. Их получают из каучуконосных и гуттаперченосных
растений.
Алкалоиды—азотистые гетероциклические соединения, оказывающие весь-
ма сильное физиологическое действие на животный организм; многие из них при-
меняются в медицине.
Регуляторы роста растений и микроорганизмов. Антибиотики. Разно-
образные вещества, оказывающие сильное стимулирующее или задерживающее
действие на рост высших растений и микроорганизмов. Некоторые из них широко
применяются в медицине для борьбы с болезнетворными микробами.
ГИДРОАРОМАТИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ
Группа циклических соединений, широко представленных в растениях. Ис-
точником образования гидроароматических соединений являются фосфорили-
рованные сахара. В растительном организме может происходить циклизация
молекулы глюкозы с образованием инозита — соединения, имеющего ту же
эмпирическую формулу, что и глюкоза С6Н12О6, но представляющего собой цик-
лический шестиатомный спирт — производное гексагидробензола. Инозит со-
держится в растениях в виде ряда изомеров и их метилированных производных,
среди которых наиболее распространен мио-инозит.
Мио-инозит легко образуется в растениях и у дрожжей из глюкозо-6-фосфата;
легко происходит превращение инозита в глюкуроновую и галактуроновую
кислоты.
Биосинтез и дальнейшие превращения мио-инозита могут быть схематиче-
ски представлены следующим образом:
СООН СООН
Мио-инозит
D-Ьлюкуроновая
кислота
D-галактуроновая
кислота
Опыты по введению в различные растения 14С мио-инозита показали, что
из него образуются все другие изомеры инозита — D-инозит, L-инозит, сциллит,
10-596
289
а также метилированные пооизводные мио-инозита — пинит и квебрахит:
L-Инозит
ОН Н
Сциллит
Мио-инозит в настоящее время относят к витаминам, так как в очень малых
количествах он необходим для роста и развития дрожжей и растительных тканей,
а также для нормальной жизнедеятельности животных. Соединение шести мо-
лекул фосфорной кислоты с мио-инозитом образует инозитфосфорную кислоту,
чрезвычайно широко распространенную в растениях в виде ее кальций-магние-
вой соли — фитина. Инозитфосфорная кислота расщепляется на инозит и сво-
бодную ортофосфорную кислоту под действием фермента фитазы, содержащегося
в дрожжах и в проросшем зерне.
К гидроароматическим соединениям принадлежат вещества, содержащие
иононовое кольцо, являющееся составной частью каротина. Ниже приведены
структурные формулы а-ионона и его изомера ирона\ эти вещества с запахом
фиалок играют важную роль в парфюмерной промышленности:
Н3С СН3
Н2С СН—СН =СН—СО—СН3
I I
Н2С с-сн3
W
сн
а-Ионон
Н3С сн3
нс 'сн—сн=сн—со—сн3
II I
нс сн—сн3
Ирон
Одним из наиболее известных природных гидроароматических соединений
является хинная кислота, найденная во многих растениях А. Р. Кизелем.
Хинная кислота обнаружена в молодых побегах ели (до 13,5% сухой массы),
в табаке, в коре хинного дерева (до 9%), в сливах, яблоках и винограде, в чер-
нике и клюкве, в зернах кофе, плодах айвы,яблок, в ягодах крыжовника, ежевики.
Как показали С. П. Костычев и В. С. Буткевич, хинная кислота с чрезвы-
чайной легкостью может использоваться микроорганизмами для образования
фенольных соединений. Имеются данные о том, что 14С-хинная кислота при
290
введении ее в ткани растений активно превращается в фенилаланин. Содержание
хинной кислоты в растениях сильно колеблется в зависимости от времени года.
Все это свидетельствует о том, что хинная кислота — важный промежуточный
продукт обмена веществ у растений. Очень часто хинная кислота присутствует
в растениях вместе с шикимовой кислотой
Н СООН
соон
НО | он
он
Хинная
кислота
НО I он
он
3, 4, 5-Триоксициклогексен-(1)-
карбоновая (шикимовая) кислота
В результате работ Б. Дэвиса (1951—1960), проведенных с мутантами ки-
шечной палочки {Escherichia coli), было установлено, что шикимовая кислота —
ключевой промежуточный продукт в биосинтезе ароматических аминокислот и
фенольных соединений (см. с. 304).
Исходные соединения для образования хинной и шикимовой кислот — фосфо-
енолпировиноградная кислота (образующаяся при гликолитическом распаде
сахаров) и эритрозо-4-фэсфат (продукт пентозофосфатного цикла, см. с. 222).
Под действием конденсирующего фермента эти кислоты образуют семиуглерод-
ную 2-кето-3-дезокси-7-фосфоарабогептоновую кислоту. Последняя с высвобож-
дением фосфатного остатка циклизуется в 3-дегидрохинную кислоту, которая
при участии 3-дегидрохинат-дегидратазы (4.2.1.10) превращается в 3-дегидро-
шикимовую кислоту. Последовательность происходящих превращений пред-
ставлена на следующей схеме:
СООН
V VI VII
I —фосфоенблпировиноградная кислота; II —эритрозс-4-фосфат; III —2-кето-З-
дазокси-7-фосфоарабогептонова,; кислота; IV — хинная кислота; V — 3-деги др охи иная
кислота; VI — 3-дегидрошикимовая кислота; VII — шикимовая кислота
10*
291
Первоначально эта схема была доказана для микроорганизмов. Однако
ферментные системы, осуществляющие указанные превращения, обнаружены
и в высших растениях. При введении в ткани растений хинная и шикимовая
кислоты легко превращаются в фенольные соединения.
ФЕНОЛЬНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ
Образование фенольных соединений — одна из характерных особенностей
растительной клетки.
Фенольным соединением называется вещество, содержащее в своей моле-
куле ароматическое (бензольное) кольцо, которое несет одну, две или более
гидроксильных групп. Простейшими дифенолами являются пирокатехин, резор-
цин и гидрохинон, простейшими трифенолами — пирогаллол, флороглюцин и
оксигидрохинон:
Пирокатехин
Резорцин
Пирогаллол Флороглюцин Оксигидрохинон
Г идрохинон
Сами по себе эти простейшие вещества, как правило, в растениях не встре-
чаются. Исключение составляет гидрохинон, содержащийся в виде гликозида
арбутина в листьях и семенах груши.
Огромное разнообразие природных фенольных соединений (к настоящему
времени их известно уже свыше тысячи) может быть разбито на три основные
группы, исходя из углеродного скелета:
1) С6—Ci-соединения; 2) С6—С3-соединения и 3) С6—С3—С6-соединения.
Группа С6—Сгс оединений представлена оксибензойными кисло-
тами: /г-оксибензойной, протокатеховой, ванилиновой, галловой и сиреневой:
Галловая кислота Сиреневая кислота
292
Оксибензойные кислоты широко распространены в растениях. Они обычно
присутствуют в них в связанной форме и высвобождаются при гидролизе. Н аличие
ванилиновой и особенно сиреневой кислоты характерно для древесных растений,
так как эти кислоты в виде эфиров включаются в состав лигнина.
Галловая кислота найдена в растениях как в свободном виде, так и в виде
димера — метадигалловой кислоты:
м - Дигалловая. кислота
Сложноэфирную связь, образуемую за счет фенольной гидроксильной груп-
пы одной молекулы фенолкарбоновой кислоты и карбоксильной группы дру-
гой, по предложению Эмиля Фишера называют депсидной связью, а соедине-
ния, содержащие такие связи, — депсидами. Депсиды галловой кислоты —
исходные продукты для образования гидролизуемых дубильных веществ
(см. с. 300).
Из С6—(^-соединений широко известен ванилин (альдегид ванилиновой
кислоты), обладающий характерным приятным запахом. В виде глюкозида
он содержится в плодах ванили. Ванилин широко применяется в мыловаренной
и кондитерской промышленности в качестве душистого вещества. Букет старого
коньяка связан с наличием ванилина — в молодых коньяках его з 10—15 раз
меньше, чем в старых. При изготовлении коньяка ванилин образуется в резуль-
тате окисления кониферилового спирта. Последний содержится'в клепке дубо-
вых бочек, в которых производится многолетняя выдержка коньяков с целью
улучшения их аромата.
Группа С6—С3-с оединений делится на подгруппы оксикоричных
кислот и кумаринов.
Оксикоричные кислоты — n-оксикоричная (n-кумаровая), кофейная, феру-
ловая и синаповая — присутствуют в растениях как в свободном, так и в связан-
ном виде.
Феруловая кислота Синаповая кислота
Характерной особенностью оксикоричных кислот (а также самой коричной
кислоты) является цис-гиранс-изомерия.
293
Транс-феруловая кислота Цис -феруловая кислота
Существующее в растворах подвижное равновесие этих двух форм при об-
лучении УФ-светом резко сдвигается в сторону образования цис-формы. Эта
особенность оксикоричных кислот имеет, по-видимому, важное физиологическое
значение, поскольку установлено, что цис-формы являются активаторами рос-
товых процессов растений. Транс-формы оксикоричных кислот этой способ-
ностью не обладают.
В растениях часто встречаются сложные эфиры оксикоричных кислот и
гидроароматических кислот (хинной и шикимовой), иногда не совсем правильно
именуемые депсидами. Характерным примером таких эфиров может служить
хлорогеновая (кофеил-3-хинная) кислота:
Хлорогеновая кислота чрезвычайно широко распространена в растениях.
Особенно в больших количествах она содержится в прорастающих семенах под-
солнечника и необжаренных зернах кофе, где присутствует и неохлорогеновая
(кофеил-5-хинная)кислота.
Известны также сложные эфиры оксикоричных кислот с алифатическими
кислотами. Например, дикофеилвинная (цикориновая) кислота, выделенная
из листьев цикория, кофеиляблочная (фазеолиновая) кислота, содержащаяся
в листьях фасоли. К подгруппе С6—С3-соединений относят оксикоричные спирты:
n-кумаровый, конифериловый и синаповый. Оксикоричные спирты — исходные
компоненты в биосинтезе лигнина (см. с. 303).
Кумарины. Помимо широко распространенной n-оксикоричной кислоты
в некоторых растениях найдена о-оксикоричная кислота. Ее /прайс-форма
устойчива, но цис-форма (называемая также кумариновой кислотой) в кислой
среде мгновенно циклизуется с образованием устойчивого лактона кумарина:
Транс- о - оксико- Кумариновая
ричная кислота
кислота
Кумарин
Кумарин — бесцветное кристаллическое вещество с приятным запахом, на-
поминающим запах сена. Чистый кумарин и цветы донника (в которых кумарин
294
содержится главным образом в виде глюкозида) применяют в качестве аромати-
заторов при изготовлении некоторых сортов курительного табака. Большое
значение имеет кумарин в парфюмерной промышленности.
Значительно чаще, чем сам кумарин, в растениях встречаются его гидрокси-
лированные производные — эскулетин и скополетин:
Эскулетин
Скополетин
Эскулетин в виде 7-глюкозида эскулина накапливается в околоплодниках
конского каштана и используется в медицине как капиллярукрепляющее сред-
ство.
В бергамотовом масле содержится фуранокумарин бергаптол:
Группа С6—С3—С6-с оединений особенно разнообразна. Принад-
лежащие к этой группе фенольные соединения называются также флавоноидами.
Молекула флавоноида содержит два бензольных ядра и одно гетероцикли-
ческое кислородсодержащее (пирановое) кольцо. Флавоноиды можно рас-
сматривать как производные флавана:
Флаван '•
Флавоноиды могут быть разбиты на шесть основных подгрупп, исходя из
степени окисленности (или восстановленное™) гетероциклического фрагмента:
Катехин
НО Н
Флаванон
Антоциан
Лейкоантоциан
Флавонол
295
Разнообразие природных флавоноидов достигается за счет различного заме-
щения в кольцах А и В (в разных положениях могут присоединяться груп-
пы —ОН,—ОСН3, —СН3), наличия асимметрических атомов углерода (у кате-
хинов, лейкоантоцианов и флаванонов), а также способности большинства из
них образовывать глюкозиды с широким набором моно-, ди- и даже трисаха-
ридов.
Несмотря на близость строения, отдельные группы флавоноидов значитель-
но отличаются друг от друга по свойствам и биологической активности.
Катехины — наиболее восстановленная группа флавоноидных соединений.
Катехины встречаются в четырех изомерных формах благодаря наличию двух
асимметрических атомов углерода.
Наиболее распространены в растениях (+)-катехин и (—)-эпикатехин
(R = R'=H). Несколько реже встречаются (—)-эпигаллокатехин и (+)-гал-
локатехин (R = ОН; R' = Н):
Гликозиды катехинов в растениях не найдены. Характерная особенность
катехинов — образование эфиров с галловой кислотой (R' = галлоил): кате-
хингаллатов и галлокатехингаллатов.
Известны также катехины, содержащие лишь одну гидроксильную группу
в кольце А (у 7-го атома углерода).
Катехины представляют собой бесцветные кристаллические вещества, легко
окисляющиеся и склонные к полимеризации. Они широко распространены в ра-
стениях, содержатся во многих плодах (яблоки, груши, вишня, айва, персики,
абрикосы) и в ягодах (ежевика, земляника, брусника, смородина, малина, вино-
град). Особенно богаты катехинами молодые побеги чайного растения, ис-
пользуемые для изготовления чая, — они содержат до 30% катехинов (на су-
хой вес).
Окислительные превращения катехинов играют важную роль в производстве
какао, виноделии и особенно в чайной промышленности. Связано это с тем, что
продукты окисления катехинов обладают характерным приятным слабо вяжущим
вкусом и окраской.
Многие флавоноидные соединения обладают так называемым Р-витаминным
действием на организм животных и человека — они увеличивают упругость
кровеносных капилляров и нормализуют их нарушенную проницаемость. Как
показали А. Л. Курсанов и М. Н. Запромётов, это свойство присуще и катехи-
нам, приче^м катехины обладают наиболее высокой Р-витаминной активностью
по сравнению со всеми другими группами флавоноидных соединений.
Наряду с лейкоантоцианами катехины являютс^я родоначальниками кон-
денсированных дубильных веществ (см. с. 301).
Лейкоантоцианы — более неустойчивые соединения, чем катехины, и лишь
в единичных случаях были выделены в кристаллическом виде. При обработке
разбавленными минеральными кислотами переходят в окрашенные антоциани-
дины. Впервые были изучены в 1914 г. М. С. Цветом, который показал их
широкое распространение в растениях.
2Q6
Наиболее часто встречается лейкоцианидин. Помимо простейших лейкоанто-
цианов в ряде растений (особенно древесных) найдены более сложные олиго-
мерные формы.
Флаваноны — бесцветные кристаллические вещества, особенно часто встре-
чающиеся в плодах различных видов цитрусовых.
Обычно присутствуют в тканях растений в виде 7-моно- и дигликозидов сле-
дующих трех агликонов: нарингенина (R=OH; R'=H), эриодиктиола (R = R' =
= ОН) и гесперетина (R=OCH3; R'=OH). В кожуре грейпфрута содержится 7-
рамноглюкозид нарингенина — нарингин, а в кожуре апельсина и мандарина —
7-рамноглюкозид гесперетина — гесперидии. Нарингин имеет горький вкус, гес-
перидии не имеет. В незрелых лимонах и некоторых несъедобных видах апельси-
нов найден другой 7-рамноглюкозид гесперетина — неогесперидин. В отличие
от гесперидина неогесперидин имеет ярко выраженный горький вкус. Оказалось,
что вкус горечи зависит от строения сахарного остатка. У гесперидина он пред-
ставлен б-О-а-Ь-рамнозил-Э-глюкопиранозой (называемой обычно рутинозой),
а у нарингина и неогесперидина 2-О-а-Ь-рамнозил-В-глюкопиранозой (неоге-
сперидозой). Неогесперидоза и придает некоторым флаваноновым гликозидам
сильную горечь.
Антоцианы — красящие вещества растений. Окрашивают плоды, листья,
лепестки цветов в самые разнообразные оттенки, от розового до черно-фиолето-
вого. Строение антоцианов установлено в 1913—1916 гг. крупнейшим немец-
ким химиком и биохимиком Р. Вильштеттером:
R = R' = Н — пеларгонидин; R = ОСН3, R' = Н — пеонидин; R = ОН, R' =
= Н — цианидин; R = R' = ОН — дельфинидин; R = ОСН3, R' = ОН — петунидин;
R = R' = ОСН3 — мальвидин
297
Рихард Вильштеттер
(1872—1942)
Все антоцианы содержат в гетероцикличе-
ском кольце четырехвалентный кислород (ок-
соний) и благодаря этому легко образуют соли,
например хлориды. В отличие от хлорофилла
антоцианы — непластидные пигменты, сосредо-
точенные в вакуолях клеток. В тканях расте-
ний присутствуют, как правило, в виде глико-
зидов. Реже встречаются ацилированные анто-
цианы. Так, красящее вещество красной капус-
ты — рубробрассицин, представляет собой три-
глюкозид цианидина, в молекуле которого к
двум остаткам глюкозы в положении С3 при-
соединены две молекулы феруловой кислоты;
третий остаток глюкозы в его молекуле сво-
боден.
Агликоны антоцианов называют антоциани-
динами. Из антоцианидинов наиболее широко
распространен в растениях цианидин. Напри-
мер, красящее вещество василька цианин пред-
ставляет собой 3,5-диглюкозид цианидина. Гли-
козиды цианидина входят в состав красящих веществ плодов вишни, сливы,
земляники, винограда и брусники.
Очень часто в одном растении содержится серия антоцианов, построенных на
основе одного или нескольких антоцианидинов. Так, в цветках и клубнях куль-
турного картофеля обнаружены 10 антоцианов. Шесть из них идентифицированы
и имеют следующее строение:
Агликон
Пеларгонидин
Пеларгонидин
Циан идин
Пеонидин
Петунидин
Мальвидин
Сахарные остатки
5-глюкозидо-З-рамногликозид
3-рамногликозид
5-глюкозидо-З-рамногликозид
5-глюкозидо-З-рамногликозид
5-глюкозидо-З-рамногликозид
5-гл юкозидо-3- рамногликозид
Первоначально предполагалось, что разнообразие окраски антоцианов
объясняется их индикаторными свойствами и зависит от величины pH клеточ-
ного сока, в котором они растворены. Позднее было установлено, что антоциано-
вая пигментация растительных тканей зависит от многих факторов. Важнейшие
из них: 1) комплексообразование с ионами металлов (К-соли имеют пурпурную
окраску, Са- и Mg-соли — синюю), 2) строение антоцианидина (метилирование
изменяет окраску в красную сторону), 3) адсорбция на полисахаридах.
Флавоны — желтые красящие вещества — обычно встречаются в виде глико-
зидов. Наиболее распространенные агликоны — апигенин (R = R'=H), лютеолин
(R=OH; R' = H) и трицин (R = R'=OCH3). Апигенин содержится в петрушке,
цветках хризантемы, плодах кислого апельсина (Citrus aurantium), трицин най-
ден в пшенице, рисе и люцерне:
298
Флавонолы — тоже желтые красящие вещества, чрезвычайно широко
распространены в растениях. Образуют большое число разнообразных глико-
зидов, чаще всего производных следующих агликонов: кемпферола (R = R'=H),
кверцетина (R=OH; R'=H) и мирицетина (R = R'=OH).
Флавонолы
З-Глюкозид кемпферола — астрагалин выделен из цветков астрагала и кон-
ского каштана, из листьев чая и хурмы. З-Рамнозид кверцетина — кверцитрин
содержится в коре многих видов дуба, листьях чая, яблони, ягодах винограда,
табаке, хмеле. З-Рамноглюкозид кверцетина — рутин встречается в растениях
особенно часто. Он широко используется в медицине как капиллярукрепляю-
щее средство (хотя и уступает по активности катехинам — см. с. 296).
В листьях яблони обнаружены следующие 3-гликозиды кверцетина:
Гликозид Сахарный остаток,
Кверцитрин Гиперин Изокверцитрин Авикулярин Рейноитрин Рутин Рамноза Галактоза Глюкоза Арабиноза Ксилоза Рутиноза (дисахарид, состоящий из остатков глюкозы и рамнозы)
К собственно флавоноидным соединениям примыкают халконы и дигидро-
халконы — производные дифенилпропана. Дигидрохалконовый глюкозид фло-
ридзин (его агликон называют флоретином) — основное фенольное соединение
коры и листьев яблони:
ОГл О
Флоридзин
У человека он вызывает интенсивное выведение глюкозы из организма —
«флоридзиновый диабет». Халконы и дигидрохалконы служат важными про-
межуточными продуктами в биосинтезе флавоноидов.
Флавоноиды, оксикоричные и оксибензойные кислоты распространены в
растениях повсеместно. Наряду с этим известны фенольные соединения, встре-
чающиеся лишь в определенных видах или семействах растений, например гос-
сипол, содержащийся в корнях и семенах хлопчатника. Токсичность госсипола
препятствует использованию жмыха из семян хлопчатника для кормления сель-
скохозяйственных животных. В настоящее время выведены сорта хлопчатника,
не содержащие госсипола:
299
сно он
он сно
Из других более редких фенольных соединений можно упомянуть о произ-
водном нафтохинона юглоне (полифенол кожуры зеленого грецкого ореха) и о
ценном природном антрахиноновом красителе — ализарине:
Полимерные фенольные соединения. Помимо перечисленных выше мономер-
ных фенольных соединений в растениях содержатся и полимеры фенольной
природы: дубильные вещества, лигнин и меланины. Сюда же иногда относят и гу-
миновые кислоты, образующиеся в почве при гумификации растительных остат-
ков.
Дубильные вещества. Названы так по своей способности дубить невыделан-
ную шкуру, превращая ее в кожу. Эта способность дубильных веществ осно-
вана на их взаимодействии с коллагеном (белком кожных покровов), приводя-
щем к образованию устойчивой поперечносвязанной структуры. Наиболее на-
дежные показатели наличия дубильных веществ в растительных экстрактах —
необратимая адсорбция дубильных веществ на кожном (гольевом) порошке и
осаждение желатины из водных растворов.
Природные дубильные вещества обычно имеют молекулярную массу 1000—
5000 и представляют собой сложную смесь близких по составу соединений. Не-
смотря на существование синтетических дубителей, растительные дубильные
вещества не потеряли своего важного значения, так как они необходимы для
получения кожи высокого качества. Термин «дубильные вещества» использует-
ся также в пищевой промышленности и в технической биохимии для обозначе-
ния более низкомолекулярных соединений, обладающих вяжущим вкусом, но
не способных к истинному дублению.
С исследованиями строения дубильных веществ связаны имена крупнейших
химиков: Э. Фишера, К. Фрейденберга, П. Каррера.
Дубильные вещества подразделяют на конденсированные и гидролизуемые.
Последние, в свою очередь, разбивают на подгруппы галловых и эллаговых ду-
бильных веществ. Как показывает само название, гидролизуемые дубильные
вещества при обработке разбавленными кислотами, распадаются с образованием
более простых соединений фенольной и нефенольной природы.
Характерный представитель галловых дубильных веществ — галлотаннин,
или китайский таннин, — дубильное вещество листьев и листовых галлов раз-
личных видов сумаха. При кислотном гидролизе или при обработке ферментом
танназой (продуцируется Aspergillus niger или Penicillium glaucum и пред-
ставляет собой комплекс эстераз) галлотаннин расщепляется на глюкозу и гал-
300
ловую кислоту. Основным компонентом галлотаннина является пентагаллоил-
глюкоза, к которой депсидными связями присоединены еще четыре остатка
галловой кислоты. Поскольку таких остатков может быть и меньше и больше че-
тырех, причем они могут присоединяться в разных сочетаниях (ди-, три-, тетра-
и пентагаллоил) к разным атомам углерода глюкозы, становится ясным, какую
сложную смесь представляет собой галлотаннин:
У других галловых дубильных веществ место глюкозы может занимать сахар
с разветвленной углеродной цепочкой — гамамелоза (а-оксиметил-Э-рибоза).
Таково, например, дубильное вещество коры каштана — производное дигаллоил-
гамамелозы. Дубильное вещество стручков тропического растения Caesalpinia
spinosa представлено пентагаллоилхинной кислотой и ее аналогами.
Эллаговые дубильные вещества отличаются от галловых тем, что при их
гидролизе образуется нерастворимая эллаговая кислота. Они содержатся в корке
граната, кожуре незрелых грецких орехов, миробаланах (плоды растения Тег-
minalia chebula), древесине эвкалипта:
Эллаговая кислота
Конденсированные дубильные вещества в отличие от гидролизуемых при
нагревании с разбавленными кислотами подвергаются дальнейшему уплотне-
301
нию. Они являются полимерами катехинов или лейкоантоцианов или сополиме-
рами этих двух типов флавоноидных соединений. Строение конденсированных
дубильных веществ до сих пор недостаточно изучено. По Фрейденбергу конден-
сация катехинов сопровождается разрывом гетероцикла и приводит к образо-
ванию линейных полимеров с большой молекулярной массой:
Источниками конденсированных дубильных веществ являются кора ивы,
сосны, ели, лиственницы, древесина некоторых видов акации, каштана и
дуба.
А. Л. Курсанов и М. Н. Запромётов показали, что ферментативное окисле-
ние катехинов, происходящее при изготовлении черного чая, приводит к образо-
ванию лишь димерных продуктов конденсации. Такие димеры являются типичны-
ми «пищевыми» дубильными веществами. Благодаря приятному слабовяжуще-
му вкусу и характерной золотисто-красной окраске водных растворов они опре-
деляют собой качество черного чая.
Димерные катехины частично сохраняют свойственную исходным мономе-
рам Р-витаминную активность.
В последнее время из бобов какао, плодов боярышника и яблок выделены
димеры катехинов и лейкоантоцианов, например димер (—)-эпикатехина и
лейкоцианидина. Подобные димеры могут рассматриваться как прототипы истин-
ных дубильных веществ.
Лигнин — содержится в одревесневших растительных тканях наряду с
целлюлозой и гемицеллюлозами. Представляет собой аморфное вещество, лишь
небольшая часть которого (5—10%) растворяется в органических растворителях
(этиловый спирт, ацетон).
Лигнин не является индивидуальным соединением строго определенного
состава. Он инкрустирует целлюлозные фибриллы и тем самым участвует в соз-
дании опорных элементов растительных тканей. Характер связи между лигни-
ном и углеводными компонентами древесины еще не установлен.
Лигнин может быть переведен в растворимое состояние обработкой древесины
бисульфитом и сернистой кислотой. На этом основан способ удаления лигнина
из древесины, идущей на приготовление целлюлозы и бумажной массы, причем
в качестве отброса получаются так называемые сульфитные щелока.
Огромные количества технического лигнина получаются в качестве отхода
на гидролизных заводах при гидролизе древесины кислотами. Такой лигнин
используется для изготовления разнообразных прессованных изделий и газо-
генераторных брикетов. По-видимому, он с успехом может быть применен для
получения активированных углей, синтетических смол и пластических масс.
Важное свойство лигнина — устойчивость по отношению к микроорга-
низмам. Лишь немногие из них, и то сравнительно медленно, разрушают
лигнин.
По своей химической природе лигнин — трехмерный полимер фенольной
природы. При окислении нитробензолом в щелочной среде лигнин расщепляется
с образованием ароматических альдегидов: ванилина, сиреневого альдегида и
п-оксибензальдегида:
302
Относительный выход ароматических альдегидов различен для разных ра-
стений. При нитробензольном окислении лигнина хвойных пород среди продук-
тов расщепления резко преобладает ванилин. У лиственных пород основным ком-
понентом является сиреневый альдегид, количество которого превышает коли-
чество ванилина в несколько раз. Для лигнина злаков характерно образование
при расщеплении значительного количества n-оксибензальдегида и отсутствие
сиреневого альдегида.
Исходными фенольными мономерами в биосинтезе лигнина являются ко-
ричные спирты:
п-Оксикоричный Конифериловый Синаповый
спирт
спирт
спирт
Конифериловый спирт содержится в камбиальной ткани древесных раотений
в виде глюкозида кониферина. Под действием пероксидазы коричные спирты
подвергаются окислительной конденсации, протекающей с промежуточным об-
разованием свободных радикалов. Кониферин предварительно расщепляется (3-
глюкозидазой, присутствующей в камбии. В модельных опытах удалось получить
лигниноподобные полимеры при воздействии на коричные спирты препаратов окси-
даз из одревесневающих тканей. Метод меченых атомов также показал, что
радиоактивный 14С-кониферин при введении в молодые побеги ели превращается
в лигнин.
Меланины — фенольные полимеры, строение которых до конца не выяс-
нено. Окрашены в черный или коричнево-черный цвет. Обнаружены главным
образом в тех растениях, которые содержат диоксифенилаланин (DOPA) или
родственные ему соединения, например (3-(3,4-диоксифенил)-этиламин или DOPA-
амин (найден в кожуре банана).
При щелочном расщеплении меланины образуют пирокатехин, протокате-
ховую и (реже) салициловую кислоты наряду с небольшим количеством 5,6-
диоксииндола. Этим меланины, выделенные из растительных тканей, отлича-
ются от меланинов тканей животных, построенных на основе индольных соеди-
нений. Меланины, близкие по свойствам к природным, могут быть получены в
результате окисления пирокатехина и тирозина ферментом полифенолоксидазой.
Биосинтез фенольных соединений. К настоящему времени выяснены два ос-
новных пути образования фенольных соединений: через шикимовую кислоту
(шикиматный) и ацетатно-малонатный.
Шик иматный путь. Исходным соединением служит шикимовая
кислота (см. выше, с. 291), которая при участии АТР фосфорилируется в 3-фосфо-
303
Рис. 83. Схема шикиматного пути:
I — шикимовая кислота, II — 3-фосфошикимовая кислота, III — 5-енолпирувилшикимат-З-фосфат, IV — хориз-
мовая кислота, V—префеновая кислота, VI — фенилпировиноградная кислота, VII — фенилаланин, VIII — ко-
ричная кислота, IX — n-оксифенилпировиноградная кислота, X — тирозин, XI — n-оксикоричная (л-кумаровая)
кислота
шикимовую кислоту. Последняя соединяется с молекулой фосфоенолпировино-
градной кислоты, причем образуется 5-енолпирувилшикимат-З-фосфат, который
после дефосфорилирования и дегидратации дает хоризмовую кислоту. При
перегруппировке атомов хоризмовой кислоты образуется префеновая кислота.
Далее возможны два ответвления, осуществляемые двумя различными фермен-
тами. Один из них — префенатдегидрогеназа (декарбоксилирующая) (1.3.1.12)
превращает префеновую кислоту в /г-оксифенилпировиноградную. Второй фер-
мент— префенатдегидратаза (4.2.1.51) превращает префеновую кислоту в фе-
нилпировиноградную. Затем эти кетокислоты при участии пиридоксалевых фер-
ментов аминируются и образуют соответственно тирозин и фенилаланин. Деза-
минирование фенилаланина и тирозина, осуществляемое аммоний-лиазами, при-
водит к образованию коричной и /г-оксикоричной (n-кумаровой) кислот (рис. 83).
Из коричной кислоты при помощи гидроксилирующих (гидроксилаза ко-
ричной кислоты и полифенолоксидаза) и метилирующих [катехол — метилтранс-
фераза (2.1.1.6)] ферментов далее образуются другие представители этой группы
фенольных соединений, а также кумарины:
I —коричная к-та; II —n-кумаровая к-та; III —кофейная к-та; IV —феруловая
к-та; V — синаповая к-та; VI —о-кумаровая к-та; VII —кумарин; VIII —скополетин
304
Следует отметить, что фенольные соединения С6—Сгряда (например, галло-
вая и протокатеховая кислоты) могут образовываться значительно более простым
путем, непосредственно из шикимовой или 3-дегидрошикимовой кислот.
Ацетатно - малонатный путь. Путь принципиально отличен
от шикиматного. Исходное соединение в нем — ацетилкоэнзим А (см. с. 78).
Он образуется в клетке либо при окислительном декарбоксилировании пиро-
виноградной кислоты:
СН3СОСООН + СоА—SH + NAD+ СН3СО со SCoA 4- СО2 + NADH + Н+
либо в тиокиназной реакции:
СН3СООН + СоА—SH + АТР -> СН3СО со SCoA + АМР 4- РР
Ацетилкоэнзим А при участии ацетил-СоА-карбоксилазы (6.4.1.2) и АТР при-
соединяет молекулу СО2 с образованием малонилкоэнзима А:
СН3СО со SCoA + СО2 -> СН2СО со SCoA
I
СООН
Ацетилкоэнзим А и малонил коэнзим А используются плесневыми грибами
для образования фенольных соединений. В 1961 г. Ф. Линену с сотрудниками
в опытах с бесклеточным экстрактом Penicillium patulutn удалось осуществить
следующую реакцию:
ацетил — SCoA + 3 малонил — SCoA 4- NADPH + Н+ -> С6Н3(ОН) (СН3) СООН 4-
Метилсалициловая кислота
+ ЗСО2 + 4СоА—SH + NADP+ 4- Н2О
Реакция эта катализируется лабильным комплексом ферментов, сходным
с системой синтеза жирных кислот.
Ацетатно-малонатный путь биосинтеза фенольных соединений широко рас-
пространен у грибов, лишайников и многих микроорганизмов. У высших расте-
ний он обычно реализуется в сочетании с шикиматным путем в биосинтезе флаво-
ноидов и антрахинонов.
Образование флавоноидных соединений — характерная особенность выс-
ших растений. Ни грибы, ни лишайники не способны синтезировать флавоноиды.
Опыты, проведенные с различными меченными по углероду 14С соединениями,
показали, что предшественник кольца А флавоноидов — ацетат (или малонат),
а кольца В — шикимовая кислота (или L-фенилаланин). Предполагают, что
С6—С3-фрагмент, образовавшийся по шикиматному пути, принимает участие
в биосинтезе флавоноидов также в виде соответствующего эфира с коэнзимом А,
являясь как бы матрицей для надстройки активированных ацетатных (малонат-
ных) остатков. В результате при взаимодействии п-кумарилкоэнзима А с тремя
молекулами малонилкоэнзима А происходит образование тетраоксихалкона,
сопровождающееся выделением трех молекул СО2 и высвобождением четырех
молекул коэнзима А. Из халконов далее образуются все остальные группы флаво-
ноидных соединений.
Вопрос о том, на каких стадиях происходит гидроксилирование и метокси-
лирование ароматических колец А и В в молекулах флавоноидов, до сих пор
остается неясным. С одной стороны, в растениях очень часто содержатся корич-
ные кислоты и флавоноиды с однотипной картиной замещения: например, сина-
повая кислота и трицин, кофейная кислота й кверцетин, феруловая кислота и
пеонидин. Кроме того, по данным А. Ценка, полученным с помощью изотопного
305
Флавоноиды^—Конденсированные
дубильные вещества
Рис. 84. Общая схема биогенеза фенольных соединений
метода, наилучшие предшественники в биосинтезе антоцианидинов у петунии —
оксикоричные кислоты, имеющие соответствующее расположение гидроксиль-
ных и метоксильных групп (п-кумаровая -> пеларгонидин; кофейная -> циани-
дин; феруловая пеонидин; ринаповая мальвидин).
С другой стороны, по данным X. Гризебаха и сотрудников, единый предшест-
венник всех флавоноидов — простейший моногидроксилированный в кольце В
халкон, который подвергается дальнейшему гидроксилированию и метоксилиро-
ванию уже на более поздних стадиях биогенеза флавоноидов.
Показано также, что в клубнях картофеля хлорогеновая кислота образуется
в результате следующей последовательности реакций: коричная кислота + хин-
ная кислота циннамилхинная кислота -> n-кумарилхинная кислота *—►- хло-
рогеновая кислота.
Таким образом, и в этом случае для гидроксилирования остатка коричной
кислоты необходимо его предварительное сочетание («активация») со вторым аро-
матическим ядром.
Общая схема биосинтеза фенольных соединений (по М. Н. Запромётову)
представлена на рис. 84. Из этой схемы следует, что в биосинтезе фенольных соеди-
нений, за исключением завершающих этапов, используются общебиологические
механизмы основного обмена веществ.
Функции фенольных соединений. Одна из важнейших функций фенольных
соединений — участие в окислительно-восстановительных процессах. Еще
В. И. Палладии в 1908 г. высказал предположение, что дыхание растений связано
с обратимым окислением и восстановлением некоторых фенольных соединений и,
в частности, флавоноидов. По гипотезе В. И. Палладина фенольные соединения,
окисляясь кислородом воздуха, при участии фермента полифенолоксидазы пре-
вращаются в соответствующие хиноны. Последние восстанавливаются за счет
атомов водорода дыхательного субстрата и вновь становятся доступными для
действия полифенолоксидазы. Таким образом система полифенол + полифе-
нололоксидаза служит переносчиком атомов водорода на конечных этапах
дыхания.
В начале 20-х годов гипотеза Палладина получила подтверждение в опытах
А. И. Опаоина, показавшего, что система хлорогеновая кислота + полифеноло-
306
ксидаза при участии кислорода воздуха способна окислять аминокислоты и ряд
пептидов.
Однако в настоящее время роль полифенол-полифенолоксидазной системы
в нормальном дыхании растений поставлена под сомнение, поскольку этот путь
окисления не связан с запасанием энергии (с образованием АТР). Тем не менее,
независимо от участия в процессе дыхания, наличие такой системы позволяет рас-
тительной клетке далее окислять ряд соединений (аминокислоты, аскорбиновую
кислоту, цитохром с, яблочную и лимонную кислоты, полифенолы с рядовым рас-
положением оксигрупп и т. п.) уже неферментативным путем. Эти реакции могут
иметь важное значение. Так, окисление триптофана хиноном приводит к обра-
зованию стимулятора роста растений —[3 индолилуксусной кислоты (см.
с. 330).
Производные фенольных соединений в виде убихинонов являются переносчи-
ками водорода (электрона) и в нормальной дыхательной цепи, локализованной в
митохондриях. Они встроены в нее на участке между флавопротеидами и цито-
хромной системой (см. с. 217).
Сходные с убихинонами пластохиноны — компоненты электронтранспорт-
ной цепи хлоропластов (см. с. 279).
В отличие от водорастворимых фенольных соединений, убихиноны и пласто-
хиноны не накапливаются в тканях растений в больших количествах, но все же
их концентрация обычно в 20 раз превышает концентрацию цитохромов.
Из других функций фенольных соединений необходимо отметить участие их
в процессах роста растений. Хотя наиболее интенсивное образование фенольных
соединений происходит в молодых, энергично растущих тканях, сами по себе они
способны не только стимулировать ростовые процессы, но и подавлять их. Меха-
низм действия фенольных соединений на рост растений не ясен. Часто его связы-
вают с воздействием на ауксиновый обмен (см. с. 330),
Фенольные соединения выполняют в растениях также защитные функции.
При механических повреждениях тканей в них начинается интенсивное новообра-
зование фенольных соединений, сопровождающееся окислительной конденсацией
в поверхностных слоях; продукты конденсации образуют защитный слой. Кроме
того, некоторые фенольные соединения способны сообщать растениям устойчивость
к заболеваниям. Так, например, сорта лука с окрашенной шелухой содержат про-
токатеховую кислоту, защищающую от поражения патогенными организмами
Collectotfichum и Diplodia:
В некоторых случаях растения в ответ на поражение патогенами образуют
фитоалексины — специфические соединения, токсичные для патогена. Многие
из известных до настоящего времени фитоалексинов имеют фенольную природу,
например орхинол, образующийся в клубнях орхидеи в ответ на поражение
Rhizoctonia repens:
Многие фенольные соединения являются антиоксидантами и находят все
более широкое применение в пищевой промышленности для стабилизации жиров.
Антиоксидантная активность фенольных соединений объясняется двумя обстоя-
тельствами: 1) фенольные соединения связывают ионы тяжелых металлов в ус-
тойчивые комплексы, тем самым лишая последние каталитического действия;
307
2) они служат акцепторами образующихся при аутоксидации свободных радика-
лов (т.е. фенольные соединения способны гасить свободно-радикальные про-
цессы).
Из других свойств фенольных соединений следует отметить стимуляцию ими
деления клеток в культуре растительных тканей, подавление прорастания семян,
разобщение окислительного фосфорилирования и др.
В целом фенольные соединения играют важную роль в обмене веществ расти-
тельной клетки.
гликозиды
В дисахаридах и трисахаридах молекулы образующих их моносахаридов сое-
динены между собой гликозидной связью. Если молекула моносахарида соединя-
ется за счет своего гликозидного гидроксила с каким-либо спиртом неуглеводной
природы, то такие соединения называют собственно гликозидами. Соединенная с
сахаром часть молекулы гликозида носит название агликона («не-сахар»). Глико-
зиды часто имеют горький вкус или специфический аромат. Именно поэтому не-
которые из них играют важную роль в пищевой промышленности. Так, например,
глюкозид синигрин, содержащийся в семенах черной горчицы, придает им специ-
фический запах и горький вкус. Глюкованилин — глюкозид, находящийся в пло-
дах ванили, при томлении последних подвергается ферментативному гидролизу
с образованием ванилина и глюкозы. С наличием глюкозида амигдалина связан
Глюкованилин
нс=о
I
нс^^сн
11 I
HCs^^C—осн3
сг
I
о—С6Н12О5
Остаток
Д-глю козы'
специфический вкус и аромат Горького миндаля, а также абрикосовых, сливовых
и персиковых косточек.
В картофеле содержатся гликозиды соланины, иногда придающие картофелю
неприятный, горький вкус.
Как указывалось ранее, в зависимости от того, какая форма моносахарида,
а- или (3-, входит в состав гликозида, мы имеем дело с а- или (3-гликозидом.
Дисахариды также являются а- или ^-гликозидами, в которых роль агликона иг-
рает тот или иной моносахарид. Поэтому гидролитическое расщепление гликози-
дов и дисахаридов (а также рафинозы) осуществляется одними и теми же фермен-
тами.
Так, например, фермент а-глюкозидаза гидролизует все а-глюкозиды и
дисахариды, построенные по типу а-глюкозидов, —мальтозу и трегалозу. Фер-
мент Р-глюкозидаза расщепляет глюкозиды и соответствующие дисахариды, по-
строенные по типу р-глюкозидов, например целлобиозу.
Амигдалин. Содержится в листьях и косточках плодов многих растений из
семейства розоцветных: абрикоса, горького миндаля, яблони, рябины, вишни,
сливы, персика. Особенно большое количество амигдалина имеется в горьком мин-
дале. Амигдалин представляет собой сочетание дисахарида гентиобиозы и аглико-
308
на, который состоит из остатка синильной кислоты и бензальдегида Агликон сое
динен с остатком гентиобиозы 0-глюкозидной связью:
Остаток гентибиозы
Амигдалин
При кислотном гидролизе амигдалина кроме составных частей агликона об-
разуются две молекулы глюкозы. Подобное же действие оказывает на амигдалин
ферментный препарат эмульсин, получаемый из сладкого или горького миндаля
и содержащий 0-глюкозидазу, Под действием ферментов дрожжей от амигдали-
на отщепляется лишь одна молекула глюкозы.
Синигрин. Семена сарептской горчицы (Brassica juncea), черной горчицы (Si-
napis nigra) и хрен содержат своеобразный гликозид синигрин, в состав которого
входит сера:
>s С6НпОб
сн2=сн—сн2-с<
^N-O-SO3K
В семенах белой горчицы (Sinapis alba) содержится гликозид синальбин:
Z---X С6НПО5
но—< Ч-сн2—с<
\=z ^N—О—SO3K
Синигрин и синальбин — тиогликозиды, в которых сахар связан через серу.
Эти гликозиды содержатся в семенах ряда растений из семейства крестоцветных.
Под действиехМ ферментов, содержащихся в хрене и в семенах горчицы, синигрин
расщепляется, причем‘образуется эфирно-горчичное масло, придающее горчице
и хрену характерный для них жгучий вкус.
Ферментативное расщепление синигрина необычайно сильно стимулируется
витамином С; это стимулирующее действие используется для ультрамикроопреде-
ления витамина С.
Соланины. Гликозиды, содержащиеся в ботве, клубнях и особенно в ростках
картофеля, в баклажанах, в плодах паслена. В клубне картофеля их содержание
обычно весьма незначительно, причем сконцентрированы они главным образом в
наружных слоях, отходящих в очистки. Изредка встречаются клубни картофеля
с резко повышенным содержанием соланинов в них; чаще всего это наблюдается
в недозрелых или хранившихся на свету клубнях.
Соланины принадлежат к группе гликозидов, содержащих агликон стероид-
ной природы. Эту группу гликозидов, распространенных в растениях из семейст-
ва пасленовых, иначе называют также гликоалкалоидами. В картофеле Р. Куном
найдено шесть гликоалкалоидов, у которых агликон один и тот же (соланидин),
но различны связанные с ним остатки сахаров. Одним из этих алкалоидов являет-
ся а-соланин:
309
Остаток
глюкозы
Остаток
галактозы
Остаток
рамнозы
з
I III
О3Н9С6—О—С с сн2
I н\/^/
О4Н11С6
о сн2 сн
I
Особенности состава других гл и ко алкалоидов картофеля ясно видны из сопоставления
их структурных компонентов:
а-соланин: соланидин 4- галактоза 4- глюкоза 4~ рамноза;
Р-соланин: соланидин 4~ галактоза 4- глюкоза;
у-соланин: соланидин 4- галактоза;
а-чаконин: соланидин 4- глюкоза 4- рамноза 4- рамноза;
Р-чаконин: соланидин 4- глюкоза 4- рамноза;
у-чаконин: соланидин 4- глюкоза.
Таким образом, гликоалкалоиды картофеля весьма близки по составу и являются как
бы промежуточными веществами при биосинтезе а-соланина.
В диком картофеле Solarium demissum содержится демиссин, весьма близкий к а-солани-
ну, но несколько отличающийся от него по составу и строению. В то время как ботва куль-
турного картофеля поедается личинками колорадского жука, Solarium demissum оказывается
устойчивым по отношению к этому опасному вредителю картофеля. Устойчивость к колорад-
скому жуку связывают с действием демиссина на личинок жука.
К этой же группе гликозидов, у которых агликон имеет стероидную природу,
принадлежат также широко применяемые в медицине «сердечные гликозиды»,
содержащиеся в ряде растений (из родов Strophanthus, Digitalis и др.).
Представителем подобных агликонов является дигитоксигенин, получаемый
при гидролизе пурпуреогликозида А из наперстянки:
Очень важное значение имеют соласодин (С27-стероидный алкалоид) и диосге-
нин (С27-стероидный сапогенин) — основные источники сырья для промышленно-
го производства стероидных гормонов и лекарственных препаратов.
Соласодин — агликон гликоалкалоидов соласонинов, содержащихся в не-
которых видах пасленовых {Solarium laciniatum).
310
но
Сэласодин
Диосгенин присутствует в виде гликозидов в основном в корневищах различ-
ных видов диоскореи (Dioscorea).
Так называемые сапонины также представляют собой гликозиды с агликонами
стероидной природы (сапогенины). Сапонины — аморфные, хорошо растворимые в
воде ядовитые вещества, способные давать мыльноопалесцирующие, сильно пеня-
щиеся растворы. Сапонины не содержат азота. При введении в кровь они вызы-
вают гемолиз, т. е. растворение красных кровяных телец. При гидролизе сапони-
ны кроме агликона дают глюкозу, галактозу, арабинозу и метилпентозы. Ядови-
тость семян куколя, отбираемых при очистке зерна специальными машинами —
куколеотборниками, объясняется именно наличием в них сапонина.
Во многих растениях содержатся гликозиды, чрезвычайно легко гидролизирующиеся
под действием слабых кислот. Их легкая гидролизуемость объясняется наличием в составе
агликона фуранового кольца. Типичным представителем гликозидов подобного типа являет-
ся аукубин:
О—Остаток глюкозы
НС—С СНОН—СН2
II II /
НС с—сн
снон—сн2
Он содержится в значительных количествах в семенах и листьях японского декоративного
растения Aucuba japonica и в тканях гуттаперченосного дерева эвкомии.
ЭФИРНЫЕ МАСЛА И СМОЛЫ
Вещества, принадлежащие к этой группе, в большинстве случаев нераствори-
мы в воде, но растворяются в различных органических растворителях. Они обра-
зуются и выделяются в особых органах растений: эфирные масла — в железис-
тых волосках, чешуйках; смолы — в смоляных ходах. Эфирные масла и смолы
обладают определенным ароматом, которым и обусловлен запах многих растений.
Эфирные масла перегоняются с водяным паром. Они широко применяются в пар-
фюмерной и мыловаренной промышленности, в косметике и фармацевтической
промышленности, в пищевой промышленности при изготовлении конфет и различ-
ных напитков. Некоторые семена, содержащие эфирные масла, например кори-
андр и тмин, применяются в качестве ароматических приправ в хлебопекарной
промышленности. Среди эфирных масел особое значение имеет скипидар, применя-
емый в ряде отраслей химической промышленности в качестве растворителя и
сырья для синтезов, например для синтеза камфоры.
Эфирные масла, содержащиеся в растениях или цветках, могут быть выделены
из них различными способами. Самым простым способом является отгонка их с
311
водяным паром. Однако этот способ применяется не так часто, поскольку при пе-
регонке с паром теряется часть летучих ароматических веществ. В большинстве
случаев душистые вещества растений выделяют путем отжима, экстракции при
помощи низкокипящих растворителей или путем энфлеража. Этот последний
способ заключается в том, что части растений или цветки смешивают со свиным
или говяжьим жиром и эту смесь оставляют на некоторое время. При этом жир
поглощает и растворяет в себе душистые вещества, которые затем экстрагируются
из жира спиртом и подвергаются дальнейшей очистке от растворимых в спирте
глицеридов путем вымораживания. 7
Некоторые эфирные масла ценятся очень дорого. Особенно ценится розовое
масло. Розовое масло наиболее высокого качества получают в Болгарии, в окрест-
ностях города Казанлык. По своей химической природе эфирные масла представ-
ляют собой обычно смесь разнообразных веществ. В состав эфирных масел входят
спирты, которые могут находиться как в свободном виде, так и в виде гликозидов.
Так, в цветках розы найдены глюкозиды (3-фенилэтилового спирта и гераниола
(см. с. 313). При производстве розового масла цветки подвергают ферментации.
При этом под действием ^-глюкозидазы растения происходит гидролиз этих глю-
козидов и увеличивается выход эфирного масла.
Наиболее важными и наиболее' часто встречающимися среди составных час-
тей эфирных масел являются терпены и их кислородсодержащие производные.
Терпенами называют углеводороды, принадлежащие к алифатическому или цик-
лическому ряду. В основе строения терпенов находится молекула изопрена, ле-
жащая также в основе строения каротиноидов, каучука и гуттаперчи:
СН2=С—СН=СН2
сн3
Изопрен
Все терпены разделяют на алифатические и циклические терпены, которые
могут содержать в молекуле один, два или три цикла.
Алифатические терпены тесно связаны взаимными переходами с циклически-
ми терпенами. В составе эфирных масел растений собственно алифатические тер-
пены играют незначительную роль. Гораздо более важными и распространенными
являются^ их кислородсодержащие производные — альдегиды и спирты. Терпены
разделяют также по числу содержащихся в них углеродных атомов на монотерпены
Сю, сесквитерпены Ci5, дитерпены С20> тритерпены С30, тетратерпены С40 и политер-
пены — с числом углеродных атомов около 4000.
Можно назвать здесь в качестве типичного представителя алифатических
монотерпенов миоцен, содержащийся в ряде эфирных масел; особенно большое его
количество (до 52%) содержится в эфирном масле сумаха — ценного дубильного
растения южных областей СССР:
Н3Ск
' >С=СН—СН2—СН?—С—СН =сн2
H3CZ II
сн2.
Мирцен
От 30 до 50% мирцена содержится в эфирном масле хмеля.
Наиболее важные и распространенные представители кислородных производ-
ных алифатических монотерпенов — спирты линалоол, гераниол и цитронеллол'.
ОН
Н;)С\ I
/С=СН—СН2—СН2—С—СН =сн,
н3с/ I
СНз
Линалоол
312
Н3СЧ
>с=сн—сн,—сн,—с=сн—сн,он
Н3С/ I
сн3
Гераниол
Н3СХ
>с=сн—сн2-сн2—сн-сн2—сн,он
н3с/ I
сн3
Цитронеллол
Линалоол содержится в цветках ландыша, в апельсиновом и кориандровом
масле; в парфюмерии он применяется как таковой или в виде уксуснокислого
эфира. Линалоол —жидкость с запахом ландыша. По-видимому, аромат перси-
ков обусловлен различными сложными эфирами линалоола — уксуснокислым,
муравьинокислым, валериановокислым и др.
Гераниол встречается в ряде эфирных масел, например в масле эвкалипта.
Цитронеллол обладает запахом розы и содержится в розовом, гераниевом и
других маслах. Гераниол и цитронеллол составляют основную часть розового
масла.
При окислении гераниола образуется соответствующий альдегид, получивший
название цитраль (смесь двух изомерных форм — а и (3):
н3сх
Н3с/
с=сн—сн2—сн2-с=сн—с=о
I I
сн3 н
р-Цитраль
Н2С
^С—СН,—СН2—СН,—С=СН—С =0
Н3С/ | I
сн3 н
а-Цитраль
Цитраль содержится в померанцевом и других эфирных маслах. Большой ин-
терес представляет то обстоятельство, что цитраль, взаимодействуя с ацетоном,
может превращаться в циклическое соединение — ионон (см. с. 290), входящий
в состав молекулы каротина, а также витамина А. Это превращение цитраля в
циклическое шестичленное соединение имеет большое значение как пример обра-
зования циклических соединений из соединений с открытой цепью.
Образование циклических соединений в растении может идти, по-видимому,
не только путем превращения глюкозы в инозит (см. с. 289), но также путем кон-
денсации различных алифатических альдегидов и кетонов подобно образованию
ионона из цитраля и ацетона. Ионон и его изомер ирон обладают запахом фиалки
и потому находят широкое применение в парфюмерной промышленности.
Среди моноциклических монотерпенов наиболее распространенным и важным
является лимонен. Он содержится в скипидаре, тминном масле, в масле укропа и
во многих других растениях.
Широко распространены в растениях также кислородные производные моно-
циклических монотерпенов. Среди них можно отметить вторичный спирт — мен-
тол, составляющий главную часть (до 70%) эфирного масла перечной мяты, и
циклический кетон — карвон, содержащийся в эфирных маслах тмина и укропа:
313
н3с сн2
V
I
сн
н2с \н2
Н2С сн
I
сн
сн3
Лимонен
HjC^ 'снон
сн
сн3
Ментол
н3с сн2
V
I
сн
н2с \н2
I I
НС со
'Ч /
с
I
сн3
Карвон
Лимонен — исходное соединение, из которого образуются его кислородсо-
держащие производные. Их структурная взаимосвязь может быть представлена в
виде схемы:
тенон
Лимонен Изопипери-
В разработке основных положений химии бициклических терпенов важную
роль сыграли работы выдающихся отечественных химиков—Е. Е. Вагнера,
Л. А. Чугаева, Ф. М. Флавицкого, А. Е. Арбузова, С. С. Наметкина, Г. В. Пигу-
левского.
К бициклическим монотерпенам относятся терпены с одной связью, как бы
рассекающей шестичленное кольцо. Наибольшее значение среди бициклических
терпенов имеют пинен и камфен, а также их кислородные производные — борне-
ол и камфора'.
Н2
zCH сн3
Пинен-
Камфен
Камфора
314
Изображенные выше структурные формулы показывают, что молекула пи-
нена состоит из комбинации шестичленного и четырехчленного кольца, в то вре-
мя как молекула камфена построена симметрично и состоит из двух пятичленных
колец. Пинен — составная часть многих эфирных масел и главный компонент
скипидара.Он имеет характерный скипидарный запах, легко окисляется на воз-
духе, превращаясь в смолообразные продукты. Камфен содержится в пихтовом,
лавандовом, кипарисовом и других эфирных маслах.
Борнеол — вторичный монотерпеновый спирт, содержащийся в камфарном,
лавандовом, розмариновом и пихтовом эфирных маслах и представляющий собой
твердое тело. При окислении борнеола образуется камфора, которая содержится в
эфирных маслах многих растений.
Камфора, как и борнеол, — твердое тело. Содержится в древесине и листьях
камфорного лавра, который раньше был единственным источником получения
камфоры. В настоящее время камфору получают в большом количестве из одного
вида полыни (Artemisia astrachanicd), растущей в южных степных областях СССР,
а также синтетическим путем из скипидара. Камфора широко применяется в ме-
дицине в качестве вещества, возбуждающего сердечную деятельность.
Так же как и монотерпены, сесквитерпены Ci5 разделяются на алифатические
и циклические. Среди кислородных производных алифатических сесквитерпенов
нужно отметить неролидол, содержащийся в эфирном масле апельсинных цветков
и в перуанском бальзаме. Неролидол широко применяется в парфюмерной про-
мышленности в качестве фиксатора — он понижает летучесть примешанных к
нему низкокипящих и легко испаряющихся веществ. Особенно ценятся фиксато-
ры, подобные неролидолу с приятным запахом.
Дитерпены С2о почти совершенно не летучи с водяным паром. Они представ-
лены в природе сравнительно небольшим числом соединений. В камфорном масле
содержится моноциклический дитерпен альфа-камфорен. Фитол С20Н39ОН, вхо-
дящий в состав хлорофилла, может рассматриваться как гидрированный дитерпе-
новый спирт; моноциклическим дитерпеновым спиртом является витамин А. Ди-
терпены содержатся в выделениях растений — бальзамах и смолах. Особенно
широко распространены в смолах циклические кислоты (производные дитерпе-
нов), имеющие эмпирическую формулу С20Н30О2. Они составляют приблизительно
четыре пятых смолистых выделений хвойных растений (живицы). При переработ-
ке живицы отгоняют с водяным паром скипидар; остается твердый остаток — ка-
нифоль. Главную массу канифоли, так же как и многих других растительных
смол, составляют циклические кислоты, получившие название смоляных кислот.
Смоляные кислоты очень легко претерпевают ряд изменений на воздухе, при на-
гревании и под действием кислот. Так, например, составляющая главную часть
нелетучей фракции пихтовой живицы левопимаровая кислота под действием уксус-
ной кислоты превращается в сравнительно устойчивую абиетиновую кислоту,
широко применяемую при производстве пластических масс, мыла и лаков:
Левопимаровая кислота
Н5С СООН
Н2СГ ХГ СН
н2с I сн сн
Н1С /Си,
сн, сн
хсн3
Абиетиновая кислота
315
Пунктирные линии в формуле левопимаровой кислоты показывают, что ее
углеродный скелет (как и скелет абиетиновой кислоты) построен из четырех не-
правильно расположенных остатков изопрена.
В состав выделяемых растениями смол кроме смоляных кислот входят также
так называемые смоляные спирты, фенолы, дубильные вещества и углеводороды,
подобные трициклическому углеводороду ретену Ci8H18.
Представителем тритерпенов является сквален (см. с. 321), а тетратерпены
и их кислородные производные — каротиноиды.
Исходным веществом для синтеза в растениях терпенов, так же как и других
терпеноидов, служит ацетилкофермент А (см. с. 305).
КАУЧУК И ГУТТА
Каучук и гутта — политерпены. Свыше 2000 растений способны образовы-
вать в своих тканях каучук. Однако лишь некоторые из них накапливают такие
количества каучука, которые достаточны для промышленного получения. Глав-
ным источником натурального каучука служит культивируемое в тропиках кау-
чуконосное дерево гевея (Hevea brasiliensis).
Гутта весьма близка по составу и строению к каучуку, ее добывают из тро-
пического дерева Palaquium gutta. Гутта — исходный продукт для получения
гуттаперчи, имеющей большое значение как изолирующий материал, например
при изготовлении подводных кабелей. В СССР открыт ряд каучуконосов и гут-
таперченосов — источников высококачественного натурального каучука и гутта-
перчи. Основные отечественные каучуконосы — растения из семейства сложно-,
цветных — кок-сагыз (Taraxacum kok-saghys) и тау-сагыз (Scorzonera tau-saghyz).
Гуттаперченосом является кустарник бересклет (Evonymus) и культивируемое в
субтропиках дерево эвкомия (Eucommia).
В каучуке и гуттаперче остатки изопрена образуют длинную цепочку и свя-
заны между собой следующим, образом:
СН3 СН3
—СН2—С=СН—СН2—СНг-С=СН—СН2-
Различие между каучуком и гуттаперчей заключается прежде всего в том,
что полиизопреновая цепочка каучука содержит от 1000 до 6000 остатков изопре-
на, а цепочка гуттаперчи — всего лишь, около 100.
Изучение строения каучука и гуттаперчи с помощью рентгеноструктурного
анализа и других методов показало, что эти вещества имеют различия и в строении
полиизопреновой цепочки. На рис. 85 показано, что полиизопреновая цепочка кау-
чука имеет ^^-конфигурацию, а цепочка гуттаперчи — транс-конфигурацию:
в молекуле каучука группы СН2, прилегающие к группировке (С=С), содержащей
двойную связь, расположены по одну сторону от двойной связи, а в молекуле гут-
таперчи — по разные стороны. На рисунке также показано, что в каучуке так
называемый период идентичности1 включает два изопреновых остатка и равен
8,2 А; в полиизопреновой цепочке гуттаперчи период идентичности включает лишь
один изопреновый остаток и равен 4,8 А.
Различия в строении каучука и гуттаперчи обусловливают и различия их
физических свойств. Каучук при обыкновенной температуре эластичен и аморфен.
Он приобретает кристаллическую структуру при растяжении или при охлажде-
1 Период идентичности — длина основного структурного элемента, повторяющегося
в молекулярной цепочке линейного полимера, выраженная в ангстремах.
316
Рис. 85. Строение полиизопреновой цепочки каучука (слева) и
гуттаперчи (справа)
нии. Гуттаперча при обычной температуре пластична. Каучук растворяется в бен-
золе, петролейном эфире, серном эфире, сероуглероде; он нерастворим в ацетоне
и спирте. Каучук представляет собой смесь гомологических полимеров различной
молекулярной массы. Таким образом, определенная тем или иным способом моле-
кулярная масса каучука является средней величиной. Весьма интересно, что по
мере роста и развития растения средняя молекулярная масса каучука изменяется.
Каучук может накапливаться в различных живых тканях растений — млеч-
ных трубках, клетках основной паренхимы, ассимилирующих тканях листа и
стебля. Особенно большие количества каучука содержатся в млечном соке (латек-
се) гевеи, корней тау-сагыза и кок-сагыза (30—40%). Содержание каучука в кор-
Таблица 10
Состав латекса некоторых каучуконосов, %
Составная часть Растение
гевея ваточник (ksclepias} тау-сагыз
Вода 70 70 51—64
Минеральные вещества 0,26 1,4 —
Сахара 0,79 4,0 —
Смолы 1,22 23,6 1,3-3,4
Каучук 27,1 3,4 30,0—44,6
Общий азот 0,24 0,46 —
317
в
0 2 4 6 8 101214161820МКМ
Рис. 86. Форма и величина каучуковых
глобул латексов; А — тау-сагыз, Б —
кок-сагыз, В — гевея
нях наших отечественных каучуконосов—
кок-сагыза и тау-сагыза — возрастает по
мере роста и развития растения.
В корнях кок-сагыза, так же как и в
стволах гевеи, каучук входит в состав
млечного сока. Наряду с каучуком в млеч-
ном соке содержатся смолы, белки, саха-
ра, свободные аминокислоты, фосфатиды,
фенолы, крахмал и другие вещества. Состав
латекса приведен в табл. 10.
Из данных табл. 10 видно, что латекс
каучуконосных растений резко различает-
ся по содержанию каучука. Содержание в латексе каучука и других веществ
весьма сильно изменяется в зависимости от возраста растения и условий его про-
израстания.
Млечный сок содержит весьма активные ферменты, в частности протеолити-
ческие и окислительные.
В млечном соке каучук находится в виде микроскопических частичек (глобул).
Каучуковые глобулы латекса различных растений отличаются размерами и фор-
мой (рис. 86).
Вместе с тем установлено, что по мере роста и развития растения увеличива-
ется размер и изменяется форма каучуковых глобул латекса.
Глобулы каучука окружены с поверхности тонкой белковой мембраной,
представляющей собой, по мнению А. А. Прокофьева, остатки пластид, при учас-
тии которых в млечных трубках происходит синтез каучука. Гутта в растениях
содержится либо в млечном соке, как у Palaquium gutta, либо в особых замкну-
тых вместилищах, имеющихся в различных тканях бересклета и эвкомии.
У бересклета наиболее богата гуттой кора корней — в ней содержится в
среднем около 12% гутты. В листьях эвкомии содержание гутты колеблется от
1,5 до 4% на сухое вещество листьев.
Каковы же пути образования каучука и гутты в растениях? Имеющиеся в
настоящее время экспериментальные данные указывают прежде всего на то, что
каучук и гутта не могут передвигаться по тканям и органам растений и что ткани,
накапливающие каучук и гУтту, и есть место синтеза этих соединений. Исходным
материалом для синтеза каучука и гутты служат углеводы или продукты их пре-
вращения.
Важные экспериментальные результаты, проливающие свет на вопрос о воз-
можных путях биосинтеза каучука, были получены при изучении Д. Боннером
обмена веществ у изолированных частей стебля каучуконосного растения гваю-
лы (Parthenium argentatum). При культивировании частей стебля гваюлы в сте-
рильных условиях на питательных средах стебель хорошо растет, но в нем не об-
разуется каучук. Если к питательной среде добавить экстракт из листьев гваюлы,
то кусочки стебля не только прекрасно растут, но и накапливают каучук. Следо-
вательно, листья гваюлы содержат какие-то соединения, необходимые для образо-
вания каучука в стебле. Далее было установлено, что экстракты из листьев могут
быть заменены уксуснокислыми солями. Опыты, проведенные с добавлением в
питательную среду ацетата, меченного радиоактивным углеродом 14С, показали,
что меченый углерод ацетата быстро входит в состав образующихся в стеблях
аминокислот, смол и каучука. Таким образом, ацетат, точнее остаток ацетила
СН3СО —, является исходным веществом, необходимым для синтеза каучука,
причем дальнейшие превращения ацетила осуществляются при участии кофермен-
та А (см. с. 78), который найден в латексе гевеи и в корнях кок-сагыза.
Биосинтез каучука и гутты теснейшим образом связан с биосинтезом других
терпеноидов — каротиноидов и терпенов. Все они синтезируются в растениях
318
из активного ацетила при участии кофермента А. Взаимная связь изопрена, раз-
личных терпенов, каротиноидов и каучука представлена в табл. 11.
Таблица 11
Взаимосвязь изопреноидных соединений
Класс терпенов Пример углеводорода Пример кислородсодер- жащего производного углеводорода
формула | название формула | | название
Изопрен с5н8 __
Монотерпен С10Н16 Пинен OtoEieO Камфора
Сесквитерпен ^15^24 Бизаболен с15н25он Фарнезол
Дитерпен ^20^32 Камфорен С20Е29ОН Витамин А
Тритерпен С30Н50 Сквален С3оН49ОН Амирин
Тетратерпен С-юНбб Каротины ОюНбвОг Лютеин
Политерпены (СбН^л Каучук, гутта — —
Весьма показательным примером теснейшей взаимозависимости между био-
синтезом терпенов и каучука может служить гваюла, в которой наряду с каучуком
образуется значительное количество эфирного масла, состоящего на 70% из пи-
нена.
В зависимости от возраста и условий существования гваюлы в ней преоблада-
ет образование эфирного масла или же каучука (А. А. Прокофьев). Подобная
взаимосвязь указывает на то, что и каучук и пинен образуются из одного исход-
ного продукта — ацетильного остатка; последний служит исходным материалом
для биосинтеза всех терпеноидных соединений — фитола, каротиноидов, стерои-
дов, терпенов, каучука и гутты, пластохинонов, убихинонов, витаминов Е и К.
БИОСИНТЕЗ ТЕРПЕНОИДОВ В РАСТЕНИЯХ
Рассматривая огромное разнообразие природных терпеноидов, Л. Ружичка
отметил единство их построения из разветвленных пятиуглеродных звеньев изо-
прена, соединенных в определенном порядке друг с другом (правило Ружички).
Таким структурным звеном является изопрен. Изопрен как таковой не участвует
в биосинтезе терпеноидов, но может быть получен при их расщеплении, например
из каучука.
Очень важное значение для понимания способа образования терпеноидов
имеет мевалоновая кислота, представляющая собой р,б-диокси-|3-метилвалериа-
новую кислоту:
НОН2С—СН2—СОН—СН2—СООН
I
сн3
Мевалоновая кислота
Биологической активностью обладает R-форма мевалоновой кислоты1.
1 С целью обозначения абсолютной конфигурации асимметрического атома углерода
в настоящее время введено понятие R- и S-конфигурации. Для этого четыре различных ато-
ма или группы, связанные с асимметрическим атомом углерода, располагают в порядке
убывания их «старшинства», которое определяется атомным номером. Если заместители,
связанные с асимметрическим углеродом, представляют собой группы атомов, то «старшинст-
во» отдается группам, в которых первый атом имеет наибольший атомный номер. Для уста-
новления конфигурации на трехмерную тетраэдрическую модель смотрят со стороны, проти-
воположной наименьшему «старшинству». Расположение остальных групп в порядке убы-
вания «старшинства» может быть или по часовой стрелке — конфигурация R, или против —
конфигурация S.
319
Мевалоновая кислота — исходное вещество для синтеза всех терпеноидов.
Она образуется из ацетил кофермента А.
Активированная мевалоновая кислота в виде 5-пирофосфорного эфира пре-
вращается при отщеплении СО2 и Н2О в изопентенилпирофосфат. Изопентенил-
пирофосфат и непосредственно из него образующийся диметилаллилпирофосфат
являются активными пятиуглеродными звеньями, из которых далее синтезируют-
ся терпеноиды. Образование десятиуглеродного геранилпирофосфата осуществля-
ется путем конденсации диметилаллилпирофосфата с изопентенилпирофосфатом
по типу «голова к хвосту». При взаимодействии геранил пирофосфата с новой моле-
кулой изопентенилпирофосфата образуется пятнадцатиуглеродный фарнезил-
пирофосфат; таким же образом далее синтезируется двадцатиуглеродный геранил-
геранилпирофосфат и т. д.
СН3
СНзЧ |
>С=СНСН2ОРР + СН2=С-СН2СН2ОРР
СН/
Диметилаллил-
пирофосфат
Изопентенил-
пирофосфат
сн3
Н,С | изопентенил-РР
\С=СНСН2СН2С=СНСН2ОРР ---------------*-
н3с/
Геранилпирофосфат
СН, СН,
Н3Ск | I ’
)С=СНСН2СН2С=СНСН2СН2С=СНСН2ОРР
H3CZ
Фарнезилпирофосфат
Геранил-РР и фарнезил-РР с большой легкостью разлагаются фосфатазами с
образованием соответствующих спиртов — гераниола и фарнезола.
Изомеризация изопентенил-РР в диметилаллил-РР и конденсация С5-единиц
осуществляются под действием ферментов, содержащих в активном центре лабиль-
ные SH-группы. Эти стадии биосинтеза терпеноидов осуществляются в анаэроб-
ных условиях.
При взаимодействии двух молекул геранилгеранил-РР по типу «голова к
голове» образуется бесцветный полиен — фитоин (С40Н64). Процесс взаимодейст-
вия двух молекул геранилгеранил-РР осуществляется с отщеплением двух ато-
мов водорода. Из фитоина далее синтезируются фитофлуин, ликопин и гее природ-
ные каротиноиды. Схема образования ациклических каротиноидов такова:
При димеризации двух молекул фарнезил-РР по типу «голова к голове» об-
разуется углеводород сквален (С30Н50), являющийся основным предшественником
для биосинтеза тритерпенов и стероидов:
Сквален
Сквален — исходное соединение, из которого у животных и дрожжей обра
зуются стероиды, например холестерол:
Из приведенной выше схемы видно, что первый продукт окислительной цик-
лизации сквалена у этих организмов — спирт ланостерол (С30Н49ОН), который
через ряд промежуточных продуктов превращается в холестерол (С27Н45ОН).
У растений стероиды также образуются из сквалена. Однако промежуточ-
ным соединением на пути от сквалена к фитостеринам является не ланостерол,
а циклоартенол, найденный в культуре ткани табака, в проростках гороха и дру-
гих растениях:
В настоящее время в растениях обнаружен ряд соединений стероидной при-
роды, которые ранее считались типичными для животных организмов, — холе-
стерин, прегненолон, прогестерол и др
11—596
321
Углеводы, жиры!
----4
СН3—СО—S~CoA
Ацетил-СоА
I
СН3
НООС-СНГС-СН-СО—S-CoA+HS-CoA
Ан
|?-окси-|?-метилглютари л-СоА
NADPH+H-—
-»-NADPt
СНз
Н О С Н2-С НГС-С Ну.С ООН
он
Мевалоновая кислота
АТР---
—*-ADP
II 1
Н О—Р—О—С Нт-С Нт-с—С Нч-С ООН
он Ан
5-Фосфомевалоновая кислота
Н О-Р-О-Р-О-С Нч-С Нч-С—С Нч-С ООН
он Ан Ан
5-Пирофосфомевалоновая кислота
О
О
О
О
СНз/
НО-Р-О-Р—о—сн—с нгс=сн2
Ан Ан |
Изопентенил пирофосф ат
,СН3
Н о-р-о-р-о-с Нт-СН=С Г
I I I 2 хсн3
ОН ОН I
Диметил алл ил пирофосфат
каучук
гутта
СН3 I О О
С Н^С=С Н-С Нч-С Нч-С=С Н-С Нч-О-Р-О—Р-О Н —моно терпен ы.
СН3 Ан Ан (Сю)
Г еранилпирофосфат
+ изопентенилпирофосфат
димери- CH\ I Т II II
сквален ^зация— 3 С=С Н-С НуС Н-С=С Н-С Н-СНГС=С Н-СНГО-Р-О-Р-ОН сесквитерпены
/ СНз Ан Ан (С15>
стероиды тритерпены Фарнезилпирофосфат
+ изопентенилпирофосфат
Ч^.р-р
димери- СНч ? Ч
фитоин 3Г=СН-СН5-СН5-С=СН-СН5-СН5-С=СН-СН5-СН5-С=СН-СН5-О-Р-О-Р-ОН*дитерпены
t СНз/ Ан ОН (Сго)
каротиноиды Геранил геранилпирофосфат
Рис. 87. Общая схема биосинтеза терпеноидов
322
Прегненолон — важное промежуточное соединение как при биосинтезе ря-
да гормонов в животных организмах, так и при биосинтезе сердечных гликозидов
в растениях. Очевидно, специфика растительного организма по сравнению с
животным заключается в том, что растения располагают значительно большим
набором ферментов на конечных стадиях биосинтеза терпеноидов из мевалоновой
кислоты, а это позволяет им создавать все то поразительное разнообразие терпе-
ноидных соединений, которое отличает растительный мир от животного.
На рис. 87 дана общая схема биосинтеза терпеноидов в растениях, являющая-
ся в основном итогом исследований К. Блоха, Ф. Линена, Д. Корнфорса и Г. По-
пьяки
Синтез терпеноидов в зеленых органах растения строго локализован в опре-
деленных субклеточных структурах. Терпеноиды, находящиеся вне хлоропластов,
образуются вне хлоропластов. Терпеноиды, находящиеся внутри хлоропластов
(за исключением стероидов), синтезируются в хлоропластах.
Биосинтез хлоропластных терпеноидов происходит с большой легкостью на
свету из углекислого газа. С развитием хлоропластов внутри их ускоряется син-
тез терпеноидов, связанных с фотосинтезом. Однако стероиды, необходимые для
образования имеющихся в хлоропластах мембран, создаются вне хлоропластов.
Локализация биосинтеза терпеноидов в растительной клетке рассматривается как
способ регуляции биосинтеза терпеноидов в зависимости от стадии развития рас-
тения. Работами Д. Корнфорса показано, что биосинтез терпеноидов происходит
строго стереоспецифично. При биосинтезе геранил-РР конденсация диметилал-
лил-РР с изопентенил-РР сопровождается стереоспецифическим отщеплением
водорода от С-2 изопентенил-РР с образованием двойной связи:
СН3'
Н
h2c^
j:c—сн2—сн2орр
н3с/
®гТ
:с=сн—сн2—сн2—с—с н2орр
1 н3с н
СН3^
CH3^
:с=сн—сн2—сн2—с=с—сн2орр +н+
Н3С н
При последующем удлинении цепи — образовании фарнезил-РР (С±5), гера-
нилгеранил-РР (С20) и других полипренол-РР — также происходит стереоспеци-
фическое отщепление водорода от С-2 каждой вновь присоединяемой молекулы
изопентенил-РР. У С-2-атома изопентенил-РР имеются два неравноценных в
биохимическом смысле водорода. В зависимости от природы фермента, участвую-
щего в образовании изопреноидной цепочки, отщепляется строго определенный
атом водорода, что приводит к образованию тракс-или цш?-структуры терпе-
ноида.
Из приведенной схемы видно, что С-2 изопентенил-РР образуется из С-4
мевалоновой кислоты. Для выяснения этого процесса в растения в качестве суб-
страта вводили асимметрическую меченную в 4-м положении дейтерием или трити-
ем мевалоновую кислоту, имеющую или R-, или S-конфигурацию: [(4R) — 4Н3]-
мевалоновую кислоту или [(4S) — 4Н3]-мевалоновую кислоту.
11*
323
При биосинтезе гераниола, фарнезола, сквалена, фитоина и ряда других тер-
пеноидов отщепляется 45-водород мевалоновой кислоты, удерживается 4R-водо-
род и образуются терпеноиды с полностью транс-строением. В природе образуют-
ся преимущественно транс-терпеноиды.
В латексе гевеи при синтезе каучука, имеющего цис-структуру, наблюдается
отщепление 4R-водорода мевалоновой кислоты. Интересно, что в том же латексе
гевеи при образовании фарнезола элиминируется 45-водород мевалоновой кисло-
ты и создается транс-структура. Эти данные указывают на наличие в растениях
ферментов, катализирующих строго стереоспецифический синтез терпеноидов-
Необходимо, однако, отметить, что в растениях найдены терпеноиды, относящие-
ся к классу полипренолов, обладающие одновременно цис- и транс-строением.
АЛКАЛОИДЫ
К алкалоидам принадлежат вещества растительного происхождения, содер-
жащиеся во многих растениях. В настоящее время известно около 10 000 алкалои-
дов. Общим для большинства алкалоидов свойством является наличие в их моле-
кулах азота, содержащегося в составе циклов. Таким образом, алкалоиды, при-
надлежат к гетероциклическим соединениям. Алкалоиды являются органичес-
кими основаниями и дают соли с кислотами. В большинстве случаев алкалоиды
содержатся в растениях в виде солей яблочной, винной, лимонной и других кис-
лот. В виде солей они растворимы в воде. Свободные алкалоиды могут быть полу-
чены путем обработки солей щелочами. В свободном виде алкалоиды, как прави-
ло, нерастворимы в воде, но растворяются в органических растворителях.
Общим для всех алкалоидов свойством является также то, что они представ-
ляют собой физиологически чрезвычайно активные вещества, оказывающие силь-
ное действие на животный организм; многие из них являются ядами.
Большинство алкалоидов действует на нервную систему: в малых дозах они
оказывают возбуждающее действие, а в больших дозах — угнетающее. Так, на-
пример, кокаин, широко употребляемый в медицине в качестве местного обезбо-
ливающего средства, действует на чувствительные окончания периферической
нервной системы. Кураре — алкалоид, содержащийся в соке некоторых южно-
американских растений, действует на двигательные окончания нервной системы
и поэтому вызывает паралич; именно поэтому он употреблялся индейцами для
смачивания стрел. Содержащийся в млечном соке мака морфиц действует на цент-
ральную нервную систему, вызывая сон; он употребляется в медицине в качестве
общего обезболивающего средства. Содержащийся в табаке никотин также дейст-
вует на центральную и периферическую нервную систему. В ягодах белладонны
и дурмана содержится атропин, который оказывает сильное действие на мотор-
ные нервы глаза, расширяя зрачок.
По своему строению алкалоиды весьма разнообразны. В зависимости от хи-
мической природы азотистого гетероцикла, входящего в их состав, они разделяют-
ся на следующие основные группы:
1) производные пиридина 2) производные пирролидина
СН
НС сн Н2С—сн2
I II II
НС сн Н2С сн2
'ч/ \/
N NH
3) производные хинолина и изохинолина
324
сн сн
нс^ с *сн
I II I
нс с сн
VV
СН N
Хинолин
сн сн
Нс/ 'Z *сн
I II I
НС С N
\/\ S'
СН сн
Изохинолин
4) производные индола
сн
Н(/ 'с—сн
I II II
нс с сн
^сн 'nh
5) производные пурина, к которым принадлежат уже рассмотренные нами
ранее алкалоиды — кофеин и теобромин (см. с. 55);
6) алкалоиды терпеноидной природы, подобные рассмотренным нами ранее
гликоалкалоидам (см. с. 310).
В некоторых алкалоидах мы имеем дело с комбинацией в молекуле различных
азотистых гетероциклов. Так, например, в молекуле никотина соединены между
собой пиридин и пирролидин. Обычно все же никотин включают в группу пириди-
новых алкалоидов.
Табак содержит целый
норникотин и анабазин:
Н
I
с н2с—сн2
II
нс с—сн сн2
I II \/
НС СН N
Л Z I
N СН3
Никотин
ряд алкалоидов, из
Н
С Н2С—СН2
Z\ II
нс с—сн сн2
I II \/
НС СН NH
Норникотин
которых главные — никотин.
сн2
СН hZ ^CHj
J \ II
НС с---------сн сн,
I II \ /
НС СН NH
Анабазин
Никотин при окислении образует ни-
котиновую кислоту, которая, как указы-
валось ранее, представляет собой противо-
пеллагрический витамин; в виде амида
является составной частью некоторых де-
гидрогеназ. Никотин в свободном виде —
— бесцветная, маслянистая жидкость. Он
является сильно ядовитым веществом, дей-
ствующим на центральную и перифериче-
скую нервные системы. При отравлении
никотином смерть наступает от паралича
дыхания. Никотин в больших количествах
получают из отходов табачной промышлен-
ности и используют для борьбы с насеко-
мыми, вредящими сельскому хозяйству.
Норникотин, как это видно из его форму-
лы, — алкалоид, получаемый при отнятии
метильной группы от никотина. Анабазин
Александр Александрович Шмук
(1886—1945)
325
был открыт крупнейшим советским исследователем в области химии алкалоидов
академиком А. П. Ореховым в среднеазиатском растении Anabasis aphylla. Так
же, как и никотин, анабазин применяется для борьбы с насекомыми — вредите-
лями сельского хозяйства.
Исследования А. А. Шмука — крупнейшего авторитета в области химии та-
бака, показали, что отдельные ботанические виды табака могут сильно различать-
ся между собой по содержанию никотина, норникотина и анабазина. Так, напри-
мер, в обычном папиросном табаке (Nicotiana tabacurri) и в махорке (Nicotiana
rustica) никотин содержится. Ряд видов содержит лишь следы никотина и преиму-
щественно норникотин. Табак, принадлежащий к виду Nicotianaglauca, содержит
только анабазин.
Важнейший представитель группы алкалоидов, принадлежащих к производ-
ным хинолина, — хинин, содержится в коре хинного дерева. Он применяется
в медицине в качестве весьма эффективного лекарства при лечении малярии.
Морфин — представитель группы изохинолиновых алкалоидов, содержится
в опии — сгущенном млечном соке опийного мака. Опий содержит большое ко-
личество различных алкалоидов и широко применяется в медицине как успокаи-
вающее средство, а в больших дозах — и как наркотик. Морфин широко приме-
няется в качестве болеутоляющего средства:
СН
Морфин
К группе алкалоидов — производных индола, относится ряд алкалоидов,
содержащихся в рожках спорыньи. Спорынья представляет собой зимующую
форму гриба Claviceps purpurea, развивающегося в зерне ржи. Спорынья очень
ядовита, и попадание рожков в размолотом виде в муку может привести к массо-
вым отравлениям. Поэтому очистка зараженного зерна от рожков спорыньи яв-
ляется важнейшей операцией при переработке такого зерна. Рожки спорыньи
применяются в медицине. В настоящее время для получения алкалоидов спо-
рыньи с целью их использования в медицине широко применяется выращива-
ние спорыньи на синтетических средах. Путем изменения состава среды можно
существенно повысить выход алкалоидов. В основе строения алкалоидов спо-
рыньи лежит лизергиновая кислота или ее изомер — изолизергиновая кислота,
представляющие собой производные индола, синтезируемые в мицелии спо-
рыньи из триптофана и мевалоновой кислоты. Соединяясь с одной или нес-
колькими аминокислотами, пировиноградной кислотой или аминоспиртами,
лизергиновая кислота образует тот или иной алкалоид спорыньи. Из рожков
спорыньи выделено 12 алкалоидов.
326
н соон
с__сн2
нс<С >N-CH3
*с—( СН
\ /СН2
С С
НС
НС
с сн
СН NH
Лизергиновая кислота
Эти алкалоиды, согласно А. Штоллю, имеют следующие эмпирические форму-
лы (каждая эмпирическая формула соответствует двум изомерным алкалоидам):
эрготамин и эрготаминин C33H35O5N5,
эргозин и эргозинин C30H37O5N5,
эргокристин и эргокристинин C35H39O5N5,
ЭрГОКрИПТИН И Эргокриптинин C32H41O5N6,
эргокорнин и эргокорнинин C31H39O5N5,
эргобазин и эргобазинин C19H23O2N3.
Алкалоиды спорыньи различаются по образующимся из них при гидролизе
продуктам. Так, например, алкалоиды, принадлежащие к первым пяти группам,
состоят из лизергиновой или изолизергиновой кислоты, соединенной с пептидом
и пировиноградной или диметилпировиноградной кислотой. В алкалоидах шестой
группы, т. е. в эргобазине и эргобазинине, лизергиновая или изолизергиновая
кислота соединена с каким-либо аминоспиртом.
В свою очередь алкалоиды первой, второй, третьей, четвертой и пятой групп
различаются между собой по тем аминокислотам, которые образуются из них при
гидролизе. Например, при гидролизе алкалоидов третьей группы образуются ли-
зергиновая кислота, диметилпировиноградная кислота
снзх
>СН-СО-СООН
СН/
фенилаланин и пролин; при гидролизе алкалоидов четвертой группы получаются
лизергиновая кислота, диметилпировиноградная кислота, лейцин и пролин; на-
конец, при гидролизе алкалоидов, принадлежащих к пятой группе, образуются
лизергиновая кислота, диметилпировиноградная кислота, валин и пролин.
Таким образом, алкалоиды спорыньи являются хорошим примером того, что
обычно в данном растении содержится целый комплекс алкалоидов, родственных
по своей химической природе. Такую же картину мы наблюдаем у табака, опий-
ного мака, хинного дерева.
Вместе с тем алкалоиды спорыньи интересны также в том отношении, что,
имея в своем составе полипептиды, они, более чем какие-либо другие алкалоиды,
указывают на прямую связь между обменом белков и аминокислот, с одной сто-
роны. и образованием алкалоидов в растении, с другой. На эту связь указывают
также опыты, в которых соответствующие аминокислоты, меченные 14С, вводились
в растение путем засасывания их водных растворов через черешки листьев или
путем вакуум-инфильтрации. Так, при подкормке растений махорки орнитином,
меченным радиоактивным углеродом 14С, значительная часть радиоактивности
обнаруживается в пирролидиновом кольце никотина. При введении в молодые
растения люпина 14С-лизина радиоактивный углерод особенно интенсивно вклю-
чается в алкалоид лупанин. Опыты с меченым лизином показали, что в результате
его циклизации образуется кониин — главный алкалоид болиголова (Conium
maculatum L.).
327
С помощью изотопного метода показано, что один из ядовитых алкалоидов—
гиосциамин — синтезируется в растении путем конденсации орнитина, фенил-
аланина и двух остатков уксусной кислоты в соответствии со следующей схемой:
Орнитин Ацетат Фенилаланин
сн2—СН—сн2
N СН3 СН—О—СО СН
сн2—сн—сн2 СН2ОН
Гиосциамин
Применение изотопной методики показало, что предшественники морфина—
тирозин и метионин. Также показано, что пиперидиновое кольцо анабазина об-
разуется из лизина. По-видимому, этот процесс идет следующим образом:
НООС
Лизин а-Кето-е-амино-
капроновая кислота
НООС *
Д' -Пиперидеин-2-
карбоновая кислота
Далее А'-пиперидеин-2-карбоновая кислота, декарбоксилируясь, конденси-
руется с 1,6-дигидроникотиновой кислотой, образуя в конечном счете анабазин:
Таким образом, никотиновая кислота — предшественник пиридинового
компонента молекулы анабазина (а также никотина). Что же касается биогенеза
пиридинового кольца самой никотиновой кислоты, то у высших растений и неко-
328
торых бактерий оно образуется путем конденсации глицеральдегид-3-фосфата и
аспарагиновой кислоты (см. с. 392).
Какова же физиологическая роль алкалоидов в растении и каким образом
они образуются в нем?
Часто высказывалось мнение о том, что алкалоиды, так же как смолы, кау-
чук и некоторые другие вещества, являются отбросами растений и не играют ка-
кой-либо существенной физиологической роли. Однако алкалоиды играют опре-
деленную роль в обмене веществ у растений. Например, показано, что никотин
совершенно отсутствует в семенах табака и начинает образовываться уже на пер-
вых этапах прорастания семени. С другой стороны, созревание семян табака и на-
копление в них белков сопровождаются постепенным снижением содержания
никотина. Установлена также тесная связь между интенсивностью роста табачно-
го растения и его азотистым питанием, с одной стороны, и образованием никотина,
с другой.
Весьма интересные данные, свидетельствующие о том, что алкалоиды исполь-
зуются в растении для построения других соединений, получены при исследова-
нии обмена алкалоида горденина (см. с. 389). Этот протоалкалоид (не содержащий
гетероцикл ) — производное тирозина, содержится в значительном количестве
в молодых растениях ячменя и постепенно исчезает по мере развития и созревания
растений. С помощью изотопного метода показано, что горденин при этом превра-
щается в лигнин.
В отношении многих алкалоидов показано, что их содержание в растении под-
вергается большим колебаниям — за периодами потребления следуют периоды
накопления.
Важные результаты, касающиеся образования и превращения алкалоидов в
растениях, были получены А. А. Шмуком, К. Мотесом, Р. Даусоном и их сотруд-
никами с помощью метода прививок, позволяющего выявить особо важную роль
корневой системы в синтезе алкалоидов. Вместе с тем прививки различных видов
табака показали, что алкалоиды в процессе жизни растения подвергаются фермен-
тативным превращениям и не инертны в обмене веществ. Так, Г. С. Ильиным ус-
тановлено, что никотин может деметилироваться с образованием из него норни-
котина или с использованием отщепленной метильной группы для построения из
пятичленного кольца шестичленного цикла, входящего в состав анабазина. Таким
образом, алкалоиды являются определенной промежуточной формой процесса
превращения азотистых соединений в растениях; в этой форме азотистые продук-
ты обмена веществ обезвреживаются и сохраняются.
Имеются экспериментальные данные, свидетельствующие о возможном учас-
тии алкалоидов в окислительно-восстановительных процессах, происходящих в
растениях. Л. Я. Арешкина показала, что в растении Senecio platyphyllus, при-
надлежащем к семейству сложноцветных,алкалоиды платифиллин и сенецифиллин
содержатся как в восстановленной форме с трехвалентным азотом (=N), так и в
окисленной форме, в виде так называемых N-оксидов, в которых азот пятива-
лентен и связан с атомом кислорода =N=O; соотношение восстановленных и
окисленных форм алкалоидов изменяется по мере роста и развития растения.
N-Оксидные формы алкалоидов могут легко отдавать свой кислород, окисляя
при этом различные соединения — аскорбиновую кислоту, лимонную кислоту,
гидрохинон, пирогаллол.
Интересные результаты были получены также при введении в растения ма-
хорки никотина, меченного радиоактивным углеродом. Установлено, что значи-
тельная часть радиоактивности обнаруживается в никотиновой кислоте, амид
которой, как отмечалось ранее (с. 77), является коферментом пиридиновых де-
гидрогеназ. Таким образом, показана роль алкалоида, в данном случае никотина,
как источника материала, необходимого для синтеза ферментов.
329
Все эти наблюдения представляют значительный интерес в связи с вопросом
о физиологической роли алкалоидов в растениях.
РЕГУЛЯТОРЫ РОСТА РАСТЕНИЙ И МИКРООРГАНИЗМОВ.
ГЕРБИЦИДЫ. АНТИБИОТИКИ
Регуляторы роста. В настоящее время открыт ряд соединений, регулирую-
щих рост растений или отдельных их органов (например, корней). Начало иссле-
дования стимуляторов роста растений положено Чарльзом Дарвином и рядом бо-
таников при изучении закономерностей роста колеоптилей1 овса. Эти наблюдения
привели к выводу о том, что в клетках, находящихся у самого окончания коле-
оптиля, содержатся какие-то вещества, сильно ускоряющие растяжение клеток и
их рост. Эти вещества называются ауксинами. Важнейшее из них получило наз-
вание гетероауксина и представляет собой 0-индолилуксусную кислоту, или ИУК.
ИУК образуется также микроорганизмами — дрожжами, грибами и бактериями.
Именно благодаря жизнедеятельности кишечной микрофлоры ИУК содержится в
моче. ИУК применяется в сельском хозяйстве для ускорения образования корней
у черенков различных растений, например цитрусовых, и их более быстрого уко-
ренения. В настоящее время синтезирован ряд ауксинов, так же, как и ИУК очень
сильно ускоряющих образование корней у растений. Особенно большой актив-
ностью в этом отношении обладает ^-нафтилуксусная кислота:
СН
сн сн
нс7 С—С—СН2—СООН
I II II
НС с сн
'crf^NH
Р-Ин до ли л уксусная кислота
/ \/ ч.
НС с с—сн2-соон
I 11 к
НС с сн
ч / \//
сн сн
Р-Нафтилуксусная кислота
ИУК, 0-нафтилуксусная кислота и другие стимуляторы роста растений дей-
ствуют в весьма малых концентрациях. Так, например, ускорение образования
корней у черенков достигается при обработке их растворами ИУК в концентра-
ции 1 : 10 000 — 1 : 100 000.
ИУК может образовываться путем окисления триптофана, которое, по-ви-
димому, происходит следующим образом:
fl -Индолилуксусная
кислота
Интересно, что действие ИУК стимулируется рядом веществ: хлорогеновой
кислотой, глютатионом, кверцетином и его производными — кверцитрином и
рутином. Некоторые другие вещества растительного происхождения, как, напри-
1 Колеоптиль — бесцветный чехол, закрывающий первичный листочек, который появ-
ляется на первых фазах прорастания семян злаков. 1
330
мер, кумаровая кислота и кумарин, наоборот, ослабляют действие ИУК. Оказа-
лось, что вещества, подобные хлорогеновой кислоте, т. е. стимулирующие дейст-
вие ИУК, ингибируют особый разрушающий его фермент — оксидазу Р-индо-
лилуксусной кислоты. Наоборот, вещества типа кумарина стимулируют действие
этого фермента и таким образом ослабляют физиологическое действие Р-индол-
илуксусной кислоты.
Ферментная система, окисляющая ИУК, найдена в тканях многих растений,
например в этиолированных растениях гороха. Она содержит флавопротеид, участ-
вующий в образовании перекиси водорода, и пероксидазу, которая с помощью
Н2О2 окисляет ИУК в физиологически неактивный 3-метиленоксиндол:
З-Метиленоксиндол
ИУК легко образует комплексы с белками, аминокислотами, сахарами и фе-
нолами; при этом возникают физиологически инертные продукты, которые, как по-
лагают, представляют собой формы запаса гормона в покоящихся и слаборасту-
щих частях растений.
Среди таких производных ИУК в растениях найдены индолил-3-ацетиласпа-
рагиновая кислота и гликозид — глюкобрассицин:
СООН
I
СН—СО—NH—СН
СН2
I
СООН
^N— О—S07
сн2— сЛ
z -глюкозил
Индо л ил-3-ацетиласпарагиновая
Г люкобрассицин
кислота
В ряде стран, в которых распространена культура риса, широко известно
заболевание молодых растений риса, вызываемое грибом Gibberella fujikuroi, кото-
рый представляет собой половую форму (стадию?) гриба Fusarium moniliforme.
При этом заболевании наряду с гибелью большинства растений обнаружива-
ется очень быстрый рост стеблей и листьев у части молодых растений. Ускорение
роста.вызывается соединениями, представляющими собой продукты обмена ве-
ществ гриба. Эти вещества были выделены из культуры гриба в чистом виде и по-
лучили название гиббереллинов. Они оказывают мощное стимулирующее дейст-
вие на рост и накопление сухой массы не только риса, но и многих других расте-
ний.
Из культуры гриба Gibberella fujikuroi и из высших растений выделен ряд
гиббереллинов (52), обозначаемых Аь А2, А3, А4, А5, А6, А7, А8, А9 и т. д. Структур-
ные формулы некоторых из них приведены на с. 332.
Гиббереллины представляют собой терпеноиды, и поэтому исходными соеди-
нениями для их биосинтеза, как и для всех терпеноидов, служит мевалоновая кис-
лота. Предполагаемый путь биосинтеза гиббереллинов включает основные этапы
биосинтеза терпеноидов (см. с. 322) и представлен на с.333.
331
(3) Гиббереллин Аз-
Гибберелловая кислота
П) Гиббереллин Aj
(2) Гиббереллин А2
(6) Гиббереллин А6
(4) Гиббереллин А4
СН3
|9) Гиббереллин А9
(10) Гиббереллин Адо
(12) Гиббереллин А12
(13) Гиббереллин А13 (14) Гиббереллин А14
(15) Гиббереллин А15
(16) Гиббереллин бамбука (17) Гиббереллин люпина
QH
I
СН»------С----CH2 -> Изопентенилпирофосфат Геранилпирофосфат —>
I I I
СООН сн, СН2ОН
Мевалоновая кислота
-> Фарнезилпирофосфат -*• Геранилгеранилпирофосфат---------►------>
------> Гиббереллины
Альдегид гиббереллина А12
На схеме показано, что узловым промежуточным продуктом при биосинтезе
гиббереллинов является альдегид гиббереллина А12. Путь его биосинтеза одина-
ков как для гриба Gibberella fujikuroi, так и для высших растений. Пути его
дальнейшего превращения в тот или иной гиббереллин различны у разных расти-
тельных организмов.
Замечательное свойство гиббереллинов — способность стимулировать цвете-
ние растений, принадлежащих к так называемым растениям длинного дня, цвете-
ние которых ускоряется на севере. Гиббереллины успешно применяются для ус-
корения прорастания ячменя при изготовлении солода и для повышения уро-
жайности бескосточковых сортов винограда.
В отношении ячменя показано, что гиббереллины стимулируют синтеза-ами-
лазы и ряда других ферментов в прорастающем зерне, по-видимому, индуцируя
синтез на ДНК специфических информационных РНК.
В настоящее время усиленно изучается вопрос о том, на какие биохимические
процессы, на какие звенья обмена веществ влияют гиббереллины. Возможно, что
их действие, по крайней мере в случае ускорения цветения, связано с функцией
недавно открытого в растениях светочувствительного белка — фитохрома,
В состав фитохрома, как и в состав многих ферментов, входит собственно бел-
ковая часть и фотоактивная хромофорная группа, состоящая из ряда сопряжен-
ных пиррольных колец.
С фитохромом связаны важнейшие процессы и ряд свойств высших растений
— фотопериодизм, прорастание и цветение. Фитохром открыт в 1952 г. американс-
кими физиологами Г. Бортвиком и С. Гендриксом.
Светочувствительный белок — фитохром существует в растениях в двух
легко взаимопревращающихся формах. Одна из них Pr имеет максимум погло-
щения света приблизительно при 665 нм, а другая форма Pfr— при 725 нм.
Обе формы фитохрома превращаются друг в друга под действием лучей опреде-
ленной длины волны в соответствии со схемой:
красный свет
RR PFR
дальний крас-
ный свет
Путем хроматографии на колонках из фосфата кальция и сефадекса, а также электро-
фореза и гелевой фильтрации из этиолированных проростков овса удалось выделить фито-
хром и очистить его в 750 раз. На рис. 88 представлены спектры поглощения обеих форм
высокоочищенного фитохрома.
333
Длина волны ,, нм
Рис. 88. Спектры поглощения фитохрома:
1 — форма, поглощающая красные лучи, 2— форма,
поглощающая в дальней красной области
Молекулярная масса фитохрома, по-ви-
димому, равна 120 000, но белок способен к
агрегации с образованием более высокомоле-
кулярных форм. Аминокислотный состав бел-
ка — фитохрома характеризуется высоким
содержанием аспарагиновой и глютаминовой
кислот, которые, видимо, присутствуют глав-
ным образом в виде амидов, а также высоким
содержанием серина, аланина и лейцина.
В молекуле фитохрома содержится,
по-видимому, 10—11 сульфгидрильных
групп.
Хромофорная группа фитохрома со-
держит систему конъюгированных двой-
ных связей, которая может изменяться
под влиянием освещения так, как это показано ниже:
Структура,
чувствительная
к красному свету
Структура,
чувствительная
к дальнему
красному свету
За последние годы открыт ряд соединений, оказывающих сильное стимулиру-
ющее действие на деление растительных клеток. Эту группу стимуляторов роста
называют цитокининами. К числу особенно активных веществ из группы цитоки-
нинов относится кинетин, представляющий собой 6-фурфуриламинопурин:
О
NH-CH2—С^ \н
II II
НС---СН
334
Кинетин, по-видимому, не содержится в растениях и представляет собой образу-
ющийся в лабораторных условиях продукт деградации ДНК.
В незрелых семенах кукурузы найден цитокинин, названный цеатином и
имеющий следующую структуру
Н N —СН2—СН=С—СН3
I N I
^\/ к СН2ОН
ч I >
В растениях.найден ряд производных цеатина, например дигидроцеатин или
его рибозид.
Чрезвычайно активный цитокинин — 6-(у,у-диметилаллил)-аминопурин:
ZCH3
HN—СН2—СН=С(
I \сн,
Интересно, что 6-(у,у-диметилаллил)-аминопурин входит в состав некоторых
транспортных РНК в качестве минорного основания.
Предполагают, что физиологическое действие цитокининов связано с процес-
сом биосинтеза белка в клетке.
Весьма активное соединение из группы цитокининов — дифенилмочевина,
выделенная из кокосового «молока», которое является сильным стимулятором де-
ления растительных клеток:
В растениях обнаружен ряд соединений, задерживающих их рост и развитие.
Эти соединения объединяют общим термином — природные ингибиторы роста.
Представитель этой группы соединений — абсцизовая кислота — обнаружена
во многих растениях, сесквитерпеноид и имеет следующее строение:
сн3 сн3 СООН
\/ ОН I
/\/ сн с
I I^chV* \
^ХСН3 сн3
На примере созревающих плодов показано, что абсцизовая кислота, как и все
терпеноиды, синтезируется из мевалоновой кислоты и фарнезилпирофосфата (см.
с. 322). Возможно, однако, что она образуется также путем окислительного рас-
щепления каротиноидов. Установлено, что абсцизовая кислота ингибирует синтез
РНК и ДНК, однако молекулярный механизм ее действия не ясен.
Природные ингибиторы, по-видимому, принимают участие в сложном вза-
имодействии с гетероауксином и его аналогами, а также с гиббереллинами. Так,
335
например, установлено, что абсцизовая кислота ингибирует активность а-амила-
зы эндосперма ячменя, предварительно обработанного гиббереллином. Это ука-
зывает на то, что она может функционировать в живой растительной клетке как
антагонист гиббереллина. Синтезированы специальные ингибиторы, структурные
антиметаболиты гиббереллинов — морфактины и физиологические антагони-
сты — ретарданты.
К числу регуляторов роста растений принадлежит этилен, который образует-
ся из метионина:
?Н2—S—СН3 СН2—S—сн3
I I *
аминотранс- пероксидаза СН2
Qpj I^JH фераза р»___q фенольные
। 2 соединения 2
СООН СООН
Метионин 4-Метилмеркапто- Этилен
2-кетомасляная
кислота
Этилен, по-видимому, может образовываться также из линоленовой кислоты
при участии липоксигеназы. Он оказывает глубокое влияние на растения: ускоря-
ет созревание плодов, изменяет характер роста клеток и этиолированных пророст-
ков, вызывает опадение листьев и плодов. Этилен стимулирует синтез РНК и бел-
ков и повышает синтез и активность некоторых ферментов. Однако молекулярный
механизм действия этилена на растения пока не ясен.
Имеются соединения, оказывающие стимулирующее действие на обмен ве-
ществ и рост микроорганизмов. Так, из дрожжей выделено вещество, названное
«биос», необходимое для их размножения. Дальнейшие исследования показали,
что биос представляет собой комплекс, состоящий из ряда описанных уже ранее
витаминов: инозита, витамина Вь биотина, пантотеновой кислоты и других сое-
динений.
Наиболее активная часть биоса — биотин — оказывает стимулирующее
действие на рост и размножение дрожжей уже при концентрации, равной 1 на
400 млрд.; инозит и витамин Bt обладают значительно меньшей активностью.
Потребность в отдельных составных частях биоса у разных дрожжей может быть
весьма различна. Так как Р-аланин входит в состав пантотеновой кислоты, он
сам оказывает весьма интенсивное стимулирующее действие на жизнедеятельность
микроорганизмов, например на рост дрожжей.
Многие бактерии не могут развиваться без наличия в питательной среде не-
которых специфических веществ — стимуляторов их роста и размножения.
Так, например, глютамин необходим в ничтожных количествах для нормальной
жизнедеятельности и размножения болезнетворных микробов, называемых гемо-
литическими стрептококками. Точно так же пара-аминобензойная кислота служит
стимулятором роста многих бактерий.
В главе, посвященной витаминам, мы уже указывали, что наблюдается боль-
шая специфичность действия витаминов на растительный или животный организм.
Действие регуляторов роста растений и микроорганизмов, многие из которых яв-
ляются витаминами, весьма специфично. Особенно хорошим примером тончайшей
специфичности регуляторов роста является действие инозита на высшие растения
и на микроорганизмы.
В. Шопфером установлено, что среди встречающихся в природе изомеров ино-
зита лишь один, а именно — мио-инозит стимулирует рост дрожжей, корешков
х Звездочкой обозначен радиоактивный углерод 14С.
336
Рис. 89. Передвижение радиоактивных веществ в листе
махорки к месту нанесения кинетина. А — слева внизу
на лист был нанесен раствор нС-а-аминоизомасляной
кислоты (СН3)2 C(NH2)COOH, а справа вверху — раствор
кинетина; Б — слева внизу наносили раствор 14С-глюко-
зы, а справа вверху —раствор кинетина
гороха, стер ильных
культур растительных
тканей, гриба Rhizopus
suinus. Все остальные
изомеры физиологиче-
ски неактивны.
Действие гибберел-
линов также весьма спе-
цифично. Уже неболь-
шие различия в строении
резко сказываются на
их физиологической ак-
тивности. Вместе с тем
установлено, что один и
тот же гиббереллин со-
вершенно по-разному
действует на различные
р астительные объекты.
Так, например, гиббе-
реллины А4 и А7 эффек-
тивно выводят семена
латука из состояния по-
коя, а близкий к ним по
строению гиббереллин
А9 совершенно не акти-
вен по отношению к это-
му объекту.
Очень мало известно относительно конкретных биохимических механизмов,
лежащих в основе физиологического действия того или иного регулятора роста.
Однако совершенно очевидно, что стимулирующее действие, так же как и угне-
тение роста под влиянием антивитаминов, гербицидов и антибиотиков (см. ниже),
теснейшим образом связано с определенными изменениями в обмене веществ. Это
положение можно проиллюстрировать многими примерами. Одним из таких при-
меров может быть неразрывная связь между действием на растения кинетина и
накоплением в клетках питательных веществ. Так, К. Мотес с сотрудниками ус-
тановил, что обработка какой-либо части листа кинетином сопровождается энер-
гичным передвижением аминокислот, сахаров и неорганических соединений к
обработанному месту. Это ясно видно на рис. 89, иллюстрирующем радиоавтогра-
фы листьев махорки, на левую половину которых были нанесены растворы соеди-
нений, меченных радиоактивным углеродом 14С, а на правую — раствор кинети-
на. Через определенный срок листья накладывали на фотопластинку для снятия
радиоавтографов, которые и представлены на рисунке. Несмотря на то что мечен-
ные 14С соединения были нанесены на левые половинки листьев, через некоторое
время большая часть радиоактивности обнаруживалась в той части листа, на кото-
рую был нанесен кинетин. Это явление не происходит в лишенных хлорофилла
частях листьев пестролистных растений, а также в листьях, которые в течение
долгого времени находились в темноте. По-видимому, для осуществления процес-
са передвижения веществ к обработанному кинетином участку листа необходим
АТР, образующийся в процессе фотосинтеза.
Совершенно очевидно, что эти опыты, указывая на теснейшую взаимосвязь
между физиологическим действием регуляторов роста растений и обменом ве-
ществ, ничего еще не говорят об интимном молекулярном механизме действия ки-
нетина, о том звене обмена веществ, в которое включается кинетин, вызывая оп-
ределенный физиологический эффект.
337
Одной из первичных реакций растения на фитогормон может быть биосинтез
специфических т-РНК, составляющих лишь небольшую часть от общего количест-
ва РНК, остающегося неизменным. Синтез новых, специфических РНК может
быть одним из механизмов активации роста.
Гербициды. Наряду с веществами, стимулирующими рост растений и микро-
организмов, в настоящее время открыт целый ряд соединений, задерживающих
рост. Некоторые из них обладают довольно большой специфичностью действия,
угнетая прорастание и рост определенных сорняков и не оказывая заметного дей-
ствия на основную культуру. Среди подобных соединений, получивших название
гербицидов (т. е. веществ, убивающих травы), можно отметить, например, фенокси-
уксусную кислоту и некоторые ее производные, как 2,4-дихлорфеноксиуксусную
кислоту:
Н
С
НС ^С—О—сн2—СООН
II I
НС сн
W
с
н
Феноксиуксусная кислота
2, 4-Дихлорфеноксиуксусная кислота
Наиболее эффективными для избирательной борьбы с сорняками в посевах
злаковых культур являются препараты 2-метил-4-хлорфеноксиуксусной кислоты
(2-М-4-Х) и 2,4-дихлорфеноксиуксусной кислоты (2,4-Д).
Изучение действия этих гербицидов на ста различных видах сорняков, про-
веденное И. И. Гунаром, показало, что примерно две трети испытанных видов сор-
няков уничтожались указанными гербицидами при дозах до 1 кг/га. Различные
сельскохозяйственные культуры весьма существенно отличаются друг от друга
по восприимчивости к гербицидам. Наиболее стойкие зерновые культуры — просо,
овес, пшеница; крайне нестойкой оказалась свекла. Так же, как и в случае
описанных выше стимуляторов роста растений, данный гербицид при различных
концентрациях может оказывать на одно и то же растение противоположное дей-
ствие — стимулировать рост при одних концентрациях и угнетать его при дру-
гих. Вместе с тем при одной и той же концентрации данный гербицид может сти-
мулировать рост одних растений и угнетать рост других. Весьма интересен и мало
изучен вопрос о биохимической сущности действия на растение стимуляторов рос-
та и гербицидов.
Очевидно, что эти соединения оказывают на растение определенное физиоло-
гическое действие путем влияния на то или иное звено в обмене веществ. Вместе с
тем имеющиеся данные свидетельствуют о том,что различное отношение разных
растений к одному и тому же гербициду обусловлено особенностями обмена ве-
ществ этого растения. Яркой иллюстрацией этого последнего положения являются
результаты, полученные Р. Уэйном при изучении действия на различные расте-
ния гербицидов из ряда феноксиалкилкарбоновых кислот. Уэйн показал, что рост
таких растений, как осот, горчица и крапива, угнетается феноксиалкилкарбоно-
выми кислотами с четным числом углеродных атомов в боковой цепи. Эти соеди-
нения в тканях указанных растений превращаются в конечном счете в 2,4-дихлор-
феноксиуксусную кислоту, которая является сильно действующим гербицидом.
Превращение это происходит под действием особой оксидазы, расщепляющей
боковую цепь в 0-положении.
На другие растения, как, например, на томаты, клевер и горох, феноксиал-
килкарбоновые кислоты с 4 и 6 углеродными атомами в боковой цепи не действу-
ют. Это объясняется отсутствием в таких растениях этого фермента, а следователь-
338
2,4-дихлорфенокси-
масляная кислота
О—сн2—СООН
I || + СН3СООН
2,4-дихлорф енокси-
уксусная кислота
Рис. 90. Механизм гербицидного действия феноксиалкил-
карбоновых кислот.
2,4-Д — 2,4-дихлорфеноксиуксусная кислота; П — 2,4-дихлорфеноксипро-
пионовая кислота, М — 2,4-дихлорфеноксимасляная кислота; В — 2,4-ди-
хлорфеноксивалериановая кислота; К — 2,4-дихлорфеноксикапроновая кис-
лота; Г — 2.4-дихлорфеноксигептановая кислота
но, невозможностью образования в них 2,4-дихлорфеноксиуксусной кислоты.
Механизм гербицидного действия феноксиалкилкарбоновых кислот на расте-
ния, содержащие указанную оксидазу, схематически представлен на рис. 90.
Второй пример, показывающий, что именно особенности состава и обмена
веществ данного растения определяют его устойчивость или восприимчивость к
тому или иному гербициду — устойчивость кукурузы к симазину — гербициду,
широко применяемому для химической прополки посевов кукурузы. Совершенно
не действуя на кукурузу, он уничтожает распространенные в ее посевах сорняки.
Симазин — производное S-триазина, а именно — 2-хлор-4,6-бисэтиламино-5-
триазин:
С1
I
С
/ ч
Н3С N N СН3
I II I Г
Н2С с с сн2
\/ \/
N N N
н н
Исследования показали, что сок, отжатый из растений кукурузы, разрушает
симазин. Это разрушение происходит потому, что в растениях кукурузы содер-
жится особое вещество, которое, реагируя с симазином, уничтожает его герби-
цидные свойства. Это вещество представляет собой 2,4-диокси-7-метокси-1,4-
бензоксазин-3-он:
О
СН,ОТП:ООН
N
I
ОН
Таким образом, это специфическое вещество, разрушая симазин, делает кукуру-
зу невосприимчивой к этому гербициду.
339
Другой пример угнетения роста природным веществом — действие канава-
нина — аминокислоты, представляющей собой структурный аналог аргинина
(см. с. 31). Канаванин вызывает угнетение роста грибов, некоторых бактерий и
высших растений, причем это угнетение носит конкурентный характер и может
быть «снято» аргинином. Таким образом, совершенно очевидно, что канаванин как
бы подменяет аргинин и, соединяясь с каким-то ферментом или метаболитом,
блокирует определенное звено обмена веществ, вызывая тем самым угнетение рос-
та.
Из изложенного ясно, что вещества, угнетающие рост высших растений и
микроорганизмов, m характеру своего действия сходны с описанными ранее ан-
тивитаминами.
Вместе с тем ознакомление с этими соединениями приводит нас к рассмотре-
нию большой группы веществ, называемых антибиотиками.
Антибиотики. Антибиотиками называют вещества, выделяемые микро-
организмами и убивающие других микроорганизмов или угнетающие их рост.
Идея об использовании одних микроорганизмов для борьбы с другими была
выдвинута в свое время И. И. Мечниковым, предложившим использовать молоч-
нокислых микробов для борьбы с гнилостной микрофлорой кишечника. Эта идея
об использовании антагонизма микробов получила в настоящее время широчай-
шее распространение и применение в медицине. Руководствуясь этой идеей, мик-
робиологи изучили многочисленные случаи антагонизма микробов и показали,
что уничтожение или подавление одного микроорганизма другим часто связано с
выделением этим последним определенного антибиотика.
Несбходимо отметить, что практическое применение антагонизма микробов
для лечения болезней впервые было осуществлено в 1871—1872 гг. русскими уче-
ными В. А. Манассеиным и А. Г. Полотебновым, описавшими лечебные свойства
зеленой плесени Penicillium.
Число выделенных и исследованных антибиотиков в настоящее время очень
велико. Некоторые из них, как, например, пенициллин, стрептомицин, тетрацик-
лины и советский грамицидин, оказались исключительно эффективными при ле-
чении ряда тяжелых заболеваний и нашли широчайшее применение в медицине.
Эти антибиотики обладают исключительно мощным и специфическим антибакте-
риальным действием, значительно превосходящим действие различных сульфа-
мидных препаратов (например, сульфидина или стрептоцида). Названные ан-
тибиотики в определенных концентрациях не ядовиты для человеческого
организма.
Широкое применение антибиотиков в медицине вызвало к жизни большую
отрасль биохимической промышленности, занимающуюся их изготовлением и
очисткой.
По своей химической природе антибиотики принадлежат к самым различ-
ным классам химических соединений.
Рассмотрим некоторые наиболее важные антибиотики.
Пенициллин — антибиотик, выделяемый некоторыми видами плесневого
гриба Penicillium. Пенициллин был открыт и изучен английскими исследователя-
ми А. Флемингом, X. Флёри и Дж. Чейном. Весьма интересно, что среди несколь-
ких тысяч видов плесневых грибов, принадлежащих к роду Penicillium, способ-
ностью образовывать пенициллин в заметных количествах обладают лишь некото-
рые виды и штаммы плесени.
Пенициллин — замечательное средство для борьбы с микробами, вызываю-
щими такие тяжелые заболевания, как, например, газовая гангрена.
В настоящее время пенициллин готовят в очищенном виде на специальных
заводах, где образующие пенициллин виды плесени выращиваются в очень боль-
ших количествах.
В результате сложных исследований удалось расшифровать строение молеку-
340
лы пенициллина. Он представляет собой одноосновную кислоту. Его структурная
формула представлена ниже:
Н3СЧ
>с—СН—СООН
H3CZ | I
S N
\н со
I /
сн
I
NH—СО—R
Так как свободная кислота в водном растворе легко разлагается, то в медицине
обычно применяется натриевая или калиевая соли пенициллина, значительно
более устойчивые и легче растворяющиеся в воде.
Строение пенициллина может несколько изменяться в зависимости от вида
плесени, из которой он получен, и в зависимости от условий ее выращивания.
Таким образом, мы должны говорить о целой группе веществ, называемых пени-
циллинами.
Изменение химической структуры пенициллина проявляется в том, что раз-
личные варианты пенициллина различаются характером радикала R. В настоя-
щее время установлено строение четырех основных природных вариантов пеницил-
лина, в молекулах которых содержатся различные радикалы:
Вариант Радикал Химическое название
пенициллина радикала
1 —СН2—СН=СН—СН2—СН3 пентенил
’ Н Н
С=С
/ \ бензил
2 —СН2—С СН
^С—Z
н н
н н
с=с
3 —сн2—с он
^с—с
н н
па ра-оксибензил
4 — СН?— СН2—СН2—СН2—СН2-СН2-СН3 н-гептил
Ряд производных пенициллина, обладающих особыми лечебными свойства-
ми, получен за последнее время синтетическим и биосинтетическим путем.
Действие пенициллина на микроорганизмы связано с нарушением процесса
образования клеточной стенки. Пенициллин инактивирует ферменты, катализи-
рующие синтез мукопептидного полимера, обусловливающего прочность клеточ-
ной стенки. С помощью пенициллина из бактериальных клеток могут быть полу-
чены сферопласты — шарообразные бактериальные формы, лишенные клеточной
стенки и защищенные от внешней среды одной цитоплазматической мембраной.
Сферопласты легко лизируются и сохраняются лишь в среде с высоким осмоти-
ческим давлением, например в среде с 20% сахарозы.
Широчайшее применение пенициллина в медицине вызвало появление в при-
роде устойчивых к пенициллину штаммов микроорганизмов. Оказалось, что эти
устойчивые штаммы образуют фермент пенициллиназу (3.5.2.6), который расщеп-
ляет 0-лактамное кольцо в молекуле пенициллина и таким образом лишает его
активности:
341
н,сч
)С—СН—соон
н8с/| I
S N
\/\
сн со
'сн
пенициллиназа
+ н2о
I
NH—СО—R
Н8С\
>с—сн-соон
н3с/ I I
S NH
сн
сн—соон
NH—СО—R
Пенициллин
Пенициллоиновая кислота
Однако путем введения различных химических группировок в молекулу пе-
нициллина можно получить его производные, которые обладают антибактериаль-
ным действием и вместе с тем не расщепляются пенициллиназой. Таким путем
был синтезирован 2,6-диметоксифенилпенициллин, не расщепляемый пеницилли-
назой и убивающий все штаммы стафилококков, устойчивые к обычному, «класси-
ческому» пенициллину:
\C-CH-»
13с/ I
S
сн со
сн
NH—СО—
осн3
====6сн3
2, 6-Диметоксифенил пенициллин
Стрептомицин выделяется живущим в почве лучистым грибком, называе-
мым Actinomyces globisporus streptomycini:
Стрептомицин
> Стрептидиц
/Стрептобиозамин *
Стрептомицин, открытый 3. Ваксманом, с успехом применяется для лечения
342
некоторых форм туберкулеза и особенно туберкулезного менингита. По своей
химической природе стрептомицин представляет собой соединение азотистого ос-
нования стрептидина с азотсодержащим дисахаридом — стрептобиозамином.
Стрептомицин связывается рибосомами микроорганизмов и подавляет синтез бел-
ка.
Советский грамицидин. Этот антибиотик выделяется живущей в почве бак-
терией Bacillus brevis. Советский грамицидин был открыт в 1942 г. Г. Ф. Гаузе и
М. Г. Бражниковой. В настоящее время он применяется в медицине при лечении
и профилактике нагноительных процессов. Химические исследования показали,
что советский грамицидин представляет собой так называемый циклопептид, т.е.
полипептид, имеющий не линейную, а циклическую (замкнутую) структуру. В
его состав входят остатки следующих аминокислот: валина, орнитина, лейцина,
фенилаланина и пролина.
Интересно то, что фенилаланин, содержащийся в составе советского грамици-
дина, является не обычным фенилаланином, а его D-изомером, который до сих
пор не был найден в природе и содержится лишь в советском грамицидине и анти-
биотике тироцидине.
Структура молекулы советского грамицидина такова:
К числу антибиотиков-циклопептидов кроме грамицидина и тироцидина относится так-
же лихениформин. Лихениформин содержит остатки следующих аминокислот:
Число остатков в
Аминокислота молекуле лихенифор-
мина
Аспарагиновая кислота.......................... 1
Гликокол ...................................... 7
Серин.......................................... 3
Пролин......................................... 2
Аргинин ....................................... 6
Фенилаланин ................................... 2
Валин........................................ 2
Лизин ........................................ 12
343
Лихениформин образуется спороносной аэробной бактерией Bacillus licheniformis.
Он задерживает рост туберкулезных бактерий и состоит, по крайней мере, из трех изомеров,
различающихся порядком расположения аминокислотных остатков в молекуле.
В настоящее время найден целый ряд антибиотиков-полипептидов. Каждый из них
представляет собой смесь весьма близких изомеров. Таким образом, на примере антибиоти-
ков-полипептидов, так же как и в случае алкалоидов, каротиноидов, жирных кислот и мно-
гих других веществ, мы наблюдаем в природе большое разнообразие родственных соединений.
Левомицетин (хлоромицетин, хлорамфеникол) — образуется в культурах
одного из актиномицетов, названного Actinomyces venezuelae.
Он весьма эффективен при борьбе с инфекционными заболеваниями, вызывае-
мыми некоторыми вирусами и грам-отрицательными микробами (например, сып-
ным и брюшным тифом). Отличительная особенность левомицетина — наличие в
нем хлора и нитрогруппы NO2:
СН—СН Н NHCOCHC12
/ Чч I I
O2N—С C-C—C-CH2OH
\ / I H
сн=сн он
Левомицетин
В настоящее время левомицетин получают синтетическим путем.
Действие левомицетина связано с тем, что в клетках микроорганизмов он
подавляет синтез белка.
Тетрациклины. К этой группе антибиотиков относят тетрациклин*
хлортетрациклин (ауреомицин, биомицин) и окситетрациклин (террамицин).
Тетрациклины действуют как на грам-положительные, так и на грам-отрицатель-
ные бактерии. Исходный антибиотик этой группы — тетрациклин:
N(CH3)2
|/н
с он
Н
I
С
сн3 он
\/ Н.
НС с с
Тетрациклин
Ауреомицин выделен из культуры актиномицета Actinomyces aureofaciens
и отличается от тетрациклина тем, что в первом кольце один водород заменен
атомом хлора. Свое название этот антибиотик получил вследствие свойственной
ему золотисто-желтой окраски.
Террамицин* образуемый актиномицетом Streptomyces rimosus* является
производным тетрациклина, у которого в третьем кольце один атом водорода за-
мещен оксигруппой.
Антибиотики тетрациклиновой группы применяются в животноводстве, так
как их добавка к корму стимулирует рост животных.
Ауреомицин, террамицин и другие антибиотики, сходные с ними по строе-
нию, по-видимому, нарушают у микробов синтез белка и Обмен магния.
Макролиды. Некоторые актиномицеты образуют антибиотики, принад-
лежащие к классу природных соединений, названных макролидами. \В основе
строения подобных соединений лежит макроциклическое лактонное кольцо (мак-
ролид). Примером антибиотиков-макролидов является эритромицин* получивший
широкое применение в медицине:
344
В молекуле эритромицина макроциклическое лактонное кольцо (I) связано
с остатками двух сахаров — дезозамина (II) и кладинозы (III).
Кроме стрептомицина, террамицина, ауреомицина и хлоромицетина в настоя-
щее время открыто значительное число антибиотиков, образуемых различными
актиномицетами. Эти антибиотики представляют большой.интерес. Их исследова-
ние с целью использования в медицине, ветеринарии, для борьбы с заболевания-
ми растений и для предохранения от порчи различных пищевых продуктов явля-
ется чрезвычайно заманчивой и важной задачей.
Актиномицин D — представитель антибиотиков, нарушающих обмен нук-
леиновых кислот. Реагируя с 2-аминогруппой гуаниновых остатков в ДНК,
актиномицин D прекращает синтез рибосомной и информационной РНК-
-----L- N -метилвалин
I
саркозин
I
О пролин
валин
I
---------треонин
I
L-N-метилвалин
I
саркозин
I
пролин
I
валин
I
треонин^—
I
СО СО
I N I
сн3 сн3
Актиномицин D
Актиномицин D применяется в медицине для лечения некоторых видов злока-
чественных опухолей. Однако применение ограничено его высокой токсичностью.
В то же время этот антибиотик очень широко используется в биохимических иссле-
дованиях как избирательный ингибитор синтеза РНК в микробной, раститель-
ной и животной клетке.
345
Другой антибиотик, нарушающий обмен нуклеиновых кислот,—митомицин С
проникает в пространство между комплементарными спиралями ДНК и обра-
зует между ними прочную поперечную связь. Митомицин С является ингибитором
синтеза ДНК.
Митомицин С
Интересная особенность данного антибиотика заключается в том, что после
проникновения в клетку он переходит в восстановленную (гидрохиноновую) фор-
му под влиянием внутриклеточных ферментов и лишь затем реагирует с ДНК.
Митомицин С подобно актиномицину D обладает высокой токсичностью, что
ограничивает его применение в медицинской практике при лечении злокачествен-
ных опухолей. Весьма широко митомицин С используется в лабораторных иссле-
дованиях для решения ряда вопросов биохимической генетики и вирусологии.
Хорошим примером, указывающим на перспективность практического при-
менения антибиотиков в растениеводстве, является антимицин, выделенный из
некоторых видов актиномицетов. Антимицин представляет собой смесь нескольких
веществ и является чрезвычайно активным антибиотиком против грибов. Так,
например, антимицин при разведении, достигающем 1 на 50 000 000, полностью
угнетает рост некоторых грибов, являющихся вредителями сельскохозяйственных
растений (лука, риса, гороха и др.).
Антимицин имеет следующее строение:
О О С7Н15
II /\/
о С—О—С сн
-н II I
| НС------с—о—с—сн—сн2-сн8
нс/^.с-с—
Hcj^Jc-OH
с
I
NH
I
с=о
Различные формы антимицина отличаются друг от друга структурой боковой це-
пи — С7Н15.
Полевые опыты показали, что антимицин весьма эффективен при борьбе с
грибными заболеваниями риса и винограда. При исследовании механизма дейст-
вия антимицина было установлено, что он является чрезвычайно мощным и специ-
фическим ингибитором ферментативных систем, контролирующих поглощение
кислорода. Поэтому он применяется в биохимии в тех случаях, когда необходимо
подавить процесс дыхания или окисления кислородом каких-либо веществ (на-
пример, янтарной кислоты, органических кислот цикла Кребса).
Фитонциды. Советский ученый Б. П. Токин установил, что многие расте-
ния содержат вещества, убивающие микроорганизмы. Эти вещества были им на-
званы фитонцидами. Наиболее активные антибактериальные вещества содержатся
в луке и чесноке. Пары и экстракты этих растений убивают дифтерийную палоч-
346
ку, гноеродных микробов и холерных бактерий. Если пожевать в течение не-
скольких минут чеснок, то бактерии, содержащиеся в полости рта, погибают.
Из чеснока выделен антибиотик, названный аллицином. В чистом виде он пред-
ставляет собой маслянистую жидкость, плохо растворяющуюся в воде, но раство-
римую в спирте и эфире. Аллицин очень легко разрушается при хранении его пре-
паратов. Он подавляет бактерии уже в концентрации 1 : 250 000 и имеет следую-
щий состав:
С3Н5—S—S—С3Н5
II
О
Аллицин образуется из содержащейся в чесноке аминокислоты, получившей
название аллиина. Как показал А. Штолль, образование аллицина происходит
под действием фермента аллиин-лиазы (4.4.1.4) по следующей схеме:
СН2 СН2
II II
СН сн
I I
сн2 сн2
| аллиин-лиаза |
2 S=O ---------------> S=O + 2СН3СОСООН + 2NH3
ртт * 1 Пировиноградная
। । кислота
H2N—СН сн2
I I
соон сн
II
сн2
Аллиин Аллицин
Аллиин не обладает специфическим запахом чеснока: этот запах свойствен
аллицину и появляется в результате расщепления аллиина аллиин-лиазой.
Из тюльпана (Tulipa gesneriana) выделены два соединения — тулипозид А
(1) и тулипозид В(2), обладающие антибиотическим действием и имеющие сле-
дующую структуру:
сн2он о CH2R
н А °\о—с —с —с н—с н 2о н
/н \ 2
|\рн н/
но\1 .-УН (1) R=h
Н ОН (2) R=OH
Многие растения выделяют газообразные вещества, обладающие фитонцид-
ным действием. Так, например, листья желтой акации, дуба, ольхи, смородины и
ряда других растений выделяют Д2-гексенал СН3—(СН2)2— СН = СН — СНО,
который в малых концентрациях убивает простейших.
Значительный интерес представляет наличие антибиотиков во многих лишай-
никах. Из таких широко распространенных лишайников, как «исландский мох»
(Cetraria islandica, или Usnea barbata), выделен, например, антибиотик, получив-
ший название усниновой кислоты:
347
о он
II I
с сн3 с
/ \1 / ч
СН.—СО—НС с—с с—сн3
I I II I
о=с с с с—он
\ // \/\ 7
с о с
н |
со—сн3
Усниновая кислота
Усниновая кислота угнетает рост туберкулезных бактерий. Из многих видов
лишайников можно получить экстракты, содержащие усниновую кислоту и дру-
гие антибиотики, химическая природа которых в настоящее время усиленно изу-
чается.
Многие растения содержат вещества, которые защищают их от поражения
грибными и бактериальными болезнями, а также предохраняют от нападения на-
секомых-вредителей. Так, например, рассмотренная нами ранее хлорогеновая
кислота (см. с. 294), по-видимому, играет определенную роль в создании устойчи-
вости картофеля к фитофторе (Phytophtora infestans). Устойчивость моркови к ря-
ду повреждающих ее грибов Д'акже связана с наличием в ее тканях бензойной,
оксибензойной, кофейной и хлорогеновой кислот.
В растениях кукурузы и пшеницы найдено вещество, которое угнетает разви-
тие ряда бактерий, грибов и насекомых, повреждающих эти растения. Этот фитон-
цид представляет собой &-метоксибензоксазолинон:
Аналогичное вещество, но не содержащее метоксигруппы, — бензоксазоли-
нон, найдено в растениях ржи и, по-видимому, предохраняет их от поражения
снежной плесенью — грибом Fusarium nivale.
В живых, неповрежденных тканях ржи, пшеницы и кукурузы бензоксазоли-
нон и 6-метоксибензоксазолинон не содержатся, но образуются при повреждении
тканей из соответствующих гликозидов. Так, например, бензоксазолинон об-
разуется при ферментативном расщеплении гликозида, агликон которого имеет
следующее строение:
О
ОН
Из растений гороха (Pisum sativum) выделен фитоалексин, названный
пизатином, от которого зависит устойчивость гороха к ряду грибных заболева-
ний:
348
П изатин
В растениях открыт ряд фито алексинов, образующихся в ответ на поражение
патогеном. К их числу принадлежит рассмотренный ранее орхинол (см. с. 307).
В корнях батата в ответ на поражение грибом Ceratocystis fimbriata синтези-
руются сесквитерпен ипомеамарон и его производное ипомеаин, обладающие мощ-
ным антигрибным действием по отношению к патогенному грибу:
I---1 СН3
\ /\ /снз
О с—с—сн2—сн
Ипомеамарон
с—сн2—сн2—с—сн3
Ипомеаив
Фитопатогенные грибы выделяют специфические вещества — токсины, вы-
зывающие соответствующее заболевание того растения, на котором они развива-
ются. Примером такого соединения может служить гельминтоспораль, образуемый
грибом Cochliobolus sations, который вызывает обыкновенную корневую^ гниль
злаков, особенно пшеницы и ячменя. Гельминтоспораль представляет собой сеск-
витерпеноидный диальдегид, имеющий следующую структуру:
Г ельмиитоспораль
Гельминтоспораль ингибирует дыхание растительных тканей.
ЛИТЕРАТУРА
Блажей А. и Шутый Л. Фенольные соединения растительного происхождения. М.,
1977.
Бокучава М. А. Биохимия чая и чайного производства. М., 1958.
Дурмиишдзе С. В. Дубильные вещества и антоцианы виноградной лозы и вина. М.,
1955.
Запрометов М. И. Основы биохимии фенольных соединений. М., 1974.
Ильин Г. С, Биохимия алкалоидов табака. — Изв. АН СССР. Сер. биол., 1967, № 6,
с. 835.
Кадыров Ч. Ш. Гербициды и фунгициды как антиметаболиты и ингибиторы фермент-
ных систем. Ташкент, 1970.
Кефели В. И. Природные ингибиторы роста и фитогормоньк М., 1974.
Кулаева О. Н. Цитокинины, их структура и функция. М., 1973.
Курсанов А. Л. Синтез и превращения дубильных веществ в растении. — 7-е Бахов-
ское чтение. М., 1951.
Лукнер М. Вторичный метаболизм у микроорганизмов, растений и животных. М., 1979.
349
Метлицкий Л. В. и Озерецковская О, Л. Фитоалексины. М., 1973.
Орехов А. П. Химия алкалоидов. М., 1955.
Прокофьев А. А. Локализация, образование и состояние каучука в растениях. М.»
1948.
Сазыкин Ю. О. Биохимические основы действия антибиотиков на микробную клетку
М., 1965.
Токин Б. П. Фитонциды М., 1951.
Чайлахян М. X. Факторы генеративного развития растений. М., 1964.
Шемякин М. М., Хохлов А. С., Колосов М. Н., Бергельсон А. Д. и Антонов В. К-
Химия антибиотиков. М., 1961, т. 1 и 2.
Шмук А. А. Химия табака и махорки. М., 1948.
Юнусову С. Ю. Алкалоиды. Ташкент, 1968.
Anderson L. a. Wolter К. Е. Cyclitols in Plants: Biochemistry and Physiology. «Annual
Rev. Plant Physiol.», 17, 209, 1966.
Archer B. L. a. Audley B. G. Biosynthesis of Rubber. «Advances in Enzymology», 29,
221, 1967.
Briggs W. R. a. Rice H. V. Phytochrome: Chemical and Physical Properties and Mecha-
nism of Action. «Annual Rev. Plant Physiol.», 23, 293, 1972.
Burrows W. J. Cytokinins. «Biochem. Soc. Transactions», 6, 395, 1978.
Freudenberg K. a. Neish A. C. Constitution and Biosynthesis of Lignin. Springer V—g,
1968.
Goodwin T. W. Biosynthesis of Terpenoids. «Annual Rev. Plant Physiol.», 30, [369, 1979.
Hahlbroc* K- A. Grisebach H. Enzymic Control in the Biosynthesis of Lignin and Flavo-
noids. «Annual Rev. Plant Physiol.», 30, 105, 1979.
Haslam E: The Shikimate Pathway. Butterworth, London, 1974.
Hedden P., MacMillan J. a. Phinney B. 0. The Gibberellins. «Annual. Rev. Plant Physi-
ol.», 29, 149, 1978.
Lieberman M. Biosynthesis and Action of Ethylene. «Annual Rev. Plant Physiol.», 30, 533,
1979.
Lynen F. Der Weg von der «aktivierten Essigsaure» zu den Terpenen und Fettsauren. «An-
ge w. Chemie», 77, 929, 1965.
Morgan D. G. a. Morgan С. B. Plant Growth Substances. Biochemistry Series One, Volu-
me 11 «Plant Biochemistry». Edited by D. H. Northcote. Butterworth, London, 1974.
Mothes K. a. Schutte H. R. Biosynthese der Alkaloide. Deutscher Verlag der Wissenschaf-
ten, Berlin, 1969.
Posternak T. Les cyclitols. Chimie, biochimie, biologie. Paris, Hermann, 1962.
Schopfer P. Phytochrome Control of Enzymes. «Annual Rev. Plant Physiol.», 28, 223, 1977.
Stafford H. The Metabolism of Aromatic Compounds. «Annual Rev. Plant Physiol.», 25,
459, 1974.
Swan G. A. An Introduction to the Alcaloids. Blackwell Scientific Publications, London,
1967.
Terpenoids in Plants. Proc.Phytochem.Group Symposium. Pridham J. B. Editor, Acade-
mic Press, New York, 1967.
Towers G. H. N. Enzymological Aspects of Flavonoid and Lignin Biosynthesis and Degra-
dation in Plants. Biochemistry Series One, volume 11, Plant Biochemistry; Edited by
D. H. Northcote. Butterworth, London, 1974.
Virtanen A. Antimicrobiell wirksame Substanzen in Kulturpflanzen. «Angew. Chemie»,
70, N 17, 18, 544, 1958.
Virtanen A. Organische Schwefelverbindungen in Gemuse und Futterpflanzen. «Angew
Chemie.», 74, 374, 1962.
Глава XI
АМИНОКИСЛОТНЫЙ И БЕЛКОВЫЙ ОБМЕН
РАСТИТЕЛЬНЫХ ОРГАНИЗМОВ
«Из обмена веществ посредством питания
и выделения, — обмена, составляющего су-
щественную функцию белка, — и из свойст-
венной белку пластичности вытекают все
прочие простейшие факторы жизни...»
Ф. Энгельс
УСВОЕНИЕ АЗОТИСТЫХ СОЕДИНЕНИЙ РАСТИТЕЛЬНЫМИ ОРГАНИЗМАМИ
Для большей части культивируемых человеком растений источником азота
являются аммиак и нитраты почвы. Лишь некоторые из растений способны усва-
ивать непосредственно молекулярный азот атмосферы и превращать его в органи-
ческие азотистые вещества своего тела. Источником аммиака в почве являются
остатки и выделения животных и растений, разлагающиеся в почве под влиянием
жизнедеятельности живущих в ней микроорганизмов. Разложение органических
азотистых соединений, попадающих в почву с остатками и выделениями растений
и животных, происходит таким образом, что в конце концов из них образуется
аммиак. Процесс разложения в почве белков, аминокислот, мочевины и других
органических азотистых соединений получил название аммонификации, а вызы-
вающие его почвенные организмы — аммонификаторов.
Эти микроорганизмы имеют очень активные ферменты, обеспечивающие
быстрое разложение белков и других азотистых соединений. При разложении бел-
ков аммонификаторы прежде всего гидролизуют их с помощью мощных протео-
литических ферментов, образуя аминокислоты. Свободные аминокислоты подвер-
гаются далее дезаминированию с образованием в конечном счете аммиака.
Процесс дезаминирования у аммонификаторов в зависимости от условий может про-
исходить по разному. Простейший путь дезаминирования — гидролитическое дезамини-
рование, при котором из аминокислоты и воды образуются соответствующая оксикислота и
аммиак:
RCHNH2-COOH + Н2О = RCHOH—СООН + NH3
Если разложение белков микроорганизмами идет в аэробных условиях, т. е. при до-
ступе кислорода воздуха, то дезаминирование аминокислот приводит к образованию аммиа-
ка и соответствующих кетокислот:
RCHNH2—СООН + у О2 RCO—СООН + NH3
При восстановительном дезаминировании из аминокислоты получается аммиак и со-
ответствующая жирная кислота:
RCHNH2—СООН + 2Н+ -> RCH2—СООН J- NH3
351
В анаэробных условиях, при которых часто происходит гниение белков, многие микро-
организмы разлагают аминокислоты таким образом, что одна из них окисляется, а другая
восстанавливается, причем выделяется аммиак:
RiCHNH2—СООН + R2CHNH2—СООН + Н2О R^O—СООН + R2CH2—СООН + 2NH3
Образовавшаяся кетокислота снова вступает в окислительно-восстановительную ре-
акцию еще с одной молекулой исходной аминокислоты. При подобном сопряженном окис-
лительно-восстановительном разложении гликокола и аланина суммарное уравнение про-
цесса имеет следующий вид:
СН3—CHNH2—СООН + 2NH2CH2—СООН -> ЗСН3—СООН + 3NH3 + СО2
Аланин Гликокол Уксусная кислота
При анаэробных условиях в почве может происходить также декарбоксилирование ами-
нокислот; образуются амин и углекислый газ:
RCHNH2—СООН -> RCH2NH2 + СО2
Амин далее разлагается бактериями до углекислого газа, воды и аммиака.
Значительное количество аммиака образуется в почве при разложении мочевины,
попадающей в почву с навозом и нечистотами. Аммонификация мочевины осуществляется
особой группой бактерий — уробактериями. По-видимому, процесс разложения мочевины
уробактериями идет таким образом, что наряду с аммиаком образуется аммонийная соль
карбаминовой кислоты:
NH2 НО
СО + Н2О -> NH3 + ^СО ->
\н2 H2N
Мочевина Карбаминовая
NHjO
\о
h2n
Аммонийная соль
карбаминовой кислоты
кислота
Образовавшаяся аммонийная соль карбаминовой кислоты далее взаимодействует с
какой-либо оксикислотой, образующейся в результате жизнедеятельности бактерий, и дает
двууглекислый аммоний и соответствующую аминокислоту. Так, например, взаимодействие
с молочной кислотой (обычный продукт жизнедеятельности бактерий) приводит к образова-
нию аланина и двууглекислого аммония:
NH4Ox
>со + СН3—СНОН—СООН -> СН3—CHNH2—СООН + NH4HCO3
h2nz
Аммонийная соль Молочная кислота Аланин
карбаминовой кислоты
Аммиак, образовавшийся в почве при аммонификации органических азотис-
тых соединений, либо поглощается корневой системой растений, либо подверга-
ется окислению до нитритов и нитратов благодаря жизнедеятельности нитрифици-
рующих бактерий. Образующиеся при этом нитраты так же, как и аммиак, погло-
щаются корневой системой и используются растениями для построения аминокис-
лот, белков, нуклеиновых кислот и других азотистых соединений.
Некоторые из живущих в почве микроорганизмов способны усваивать моле-
кулярный азот воздуха и превращать его в аминокислоты и белки. Эти микроор-
ганизмы, открытые в 1894 г. С. Н. Виноградским, играют большую роль в обога-
щении почвы азотистыми соединениями, а следовательно, в повышении ее плодо-
родия.
Представителями свободно живущих почвенных бактерий, способных асси-
милировать азот воздуха, являются анаэробные бактерии Clostridium и аэробные,
принадлежащие к роду Azotobacter. Молекулярный азот воздуха могут также свя-
зывать некоторые живущие в почве и в водоемах микроскопические водоросли,
принадлежащие к группе синезеленых водорослей (цианобактерий). Это, напри-
мер, доказано для синезеленых водорослей, населяющих рисовые поля. Показано
также, что молекулярный азот усваивают фотосинтезирующие бактерии и лишай-
ники, содержащие в качестве симбионтов синезеленые водоросли.
352
С. Н. Виноградский и С. П. Костычев высказали гипотезу, согласно кото-
рой первым продуктом усвоения молекулярного азота бактериями является ам-
миак, который далее вступает в реакции с различными продуктами превращения
углеводов и дает аминокислоты. Превращение молекулярного азота в аммиак
происходит восстановительным путем, по-видимому, через гидразин:
+2Н+ -f-2H+ +2Н+
N = N------>-------------> H2N—NH2 -----> 2NH3
Впервые Карнаану, а затем другим ученым с по лощью бесклеточных экстра-
ктов из разрушенных клеток Azotobacter, Clostridium, Klebsiella и синезеленых
водорослей удалось воспроизвести in vitro процесс фиксации азота воздуха и об-
разования из него аммиака.
С глубокой древности известно, что бобовые растения — соя, люцерна,
клевер, люпин и т. д. — не нуждаются в азотистых удобрениях и сами обога-
щают почву азотом. Таким образом, бобовые резко отличаются в этом смысле от
всех других растений. Эгой способностью они обязаны бактериям, живущим на
их корнях в особых желвачках, называемых клубеньками.
Клубеньковые бактерии, будучи выделены из клубеньков в чистую культуру,
могут усваивать молекулярный азот лишь тогда, когда в питательной среде при-
сутствуют некоторые метаболиты, например арабиноза, или если в питательной
среде присутствует культура растительной ткани. Важным условием является
также низкая концентрация кислорода.
Развитие клубеньковых бактерий на корнях бобовых растений — пример
симбиоза. Бактерии питаются теми органическими веществами, которые достав-
ляет им высшее растение, а сами снабжают последнее азотистыми соединениями,
образующимися в результате связывания молекулярного азота атмосферы.
Большой интерес представляет наличие в клубеньках бобовых растений ве-
щества, которое аналогично гемоглобину крови. Как и гемоглобин, это вещество,
названное легоглобином, легко присоединяет молекулярный кислород и образует
оксилегоглобинл Легоглобин + О2 Легоглобин О2 (оксилегоглобин). Это ве-
щество играет очень важную роль в обмене веществ клубеньков и клубень-
ковых бактерий. Оно содержится только лишь в клубеньках растений, зараженных
«эффективными» штаммами клубеньковых бактерий.
Обычно клубеньки бобовых содержат около 4 % легоглобина на сухое вещест-
во. Легоглобин сои состоит из двух основных компонентов, различающихся
по скорости движения при электрофорезе, по форме кристаллов и по аминокислот-
ному составу. Молекулярная масса быстро движущегося компонента равна 16 000,
содержание железа составляет 0,34%; медленно движущийся компонент имеет
молекулярную массу 15 400 и содержит 0,29% железа. Процесс фиксации азо-
та клубеньками бобовых растений стимулируется молибденом и кобальтом. Уси-
ление фотосинтеза, например, при повышенной концентрации СО2 в воздухе,
также стимулирует у бобовых растений азотфиксацию. Существенным успехом
на пути выяснения химизма фиксации азота бобовыми растениями яви-
лись опыты, в которых удалось показать фиксацию в гомогенатах, полу-
ченных путем механического разрушения клубеньков. При этом установ-
лено, что азотфиксирующая способность свойственна фракции бактероидов,
т. е. клубеньковых бактерий, которые в результате развития в клетках высшего
растения сильно изменили свою физиологию и форму. Вместе с тем эти опыты по-
казали, что легоглобин не принимает непосредственного участия в процессе фик-
сации молекулярного азота, а, активно связывая кислород, создает необходимые
для фиксации микроаэрофильные условия в клубеньке и вместе с тем транспорти-
рует к бактероидам кислород, необходимый для их'дыхания и синтеза АТР.
Из бесклеточных экстрактов, полученных из различных микробов, усваива-
ющих молекулярный азот, выделен ферментный комплекс — нитрогеназа, ко-
12-596
353
торый катализирует процесс восстановления азота до аммиака. Нитрогеназа сос-
тоит из двух белков — азоферредоксина, содержащего негеминовое железо, и
молибдоферредоксина, содержащего молибден и негеминовое железо. Азоферредо-
ксин — димер с молекулярной массой протомера 27 000 — 30 000; азоферредо-
ксин содержит четыре атома железа, связанные с четырьмя атомами сульфидной
серы. Молибдоферредоксин — тетрамер с молекулярной массой около 220 000;
он содержит 24 атома железа, 24 атома серы и два атома молибдена.
Нитрогеназа катализирует не только восстановление молекулярного азота
до аммиака, но и восстановление ряда других субстратов — ацетилена С2Н2 до
этилена С2Н4, ионов водорода до молекулярного водорода, закиси азота N2O до
Н2О и N2, азида натрия NaN3 до NH3 и Н2.
Восстановление ацетилена в этилен с последующим газохроматографическим
определением последнего широко используется в настоящее время как быстрый и
весьма чувствительный косвенный метод количественного учета интенсивности
фиксации азота.
Для осуществления процесса фиксации молекулярного азота необходимы
источник энергии в виде АТР и приток электронов. Их источники у разных азот-
фиксирующих микроорганизмов различны. У анаэробов, подобных Clostridium
pasteurianum, это процесс брожения, сопровождающийся фосфорокластическим
расщеплением пировиноградной кислоты и образованием ацетилфосфата:
Н3РО4
СН3—СО—СООН-------> СН3—СООРО3Н2 + СО2 + н2
Ацетилфосфат затем отдает заключенную в нем энергию ADP с образованием АТР,
используемой в процессе азотфиксации. Источником электронов, необходимых
для восстановления азота, у анаэробов также служит пировиноградная кислота.
У аэробов, подобных азотобактеру и клубеньковым бактериям, источник АТР
и электронов — процесс дыхания, а у фотосинтезирующих азотфиксаторов —
процесс фотосинтеза. Перенос электронов от их источника к нитрогеназе у всех
азотфиксирующих микробов происходит при участии негеминовых железопротеи-
дов (ферредоксинов). «Топливом», используемым в процессе генерации энергии,
необходимой для осуществления азотфиксации, и источником углеродных соеди-
нений, связывающих образовавшийся аммиак, служат углеводы и полимеры |3-
оксимасляной кислоты.
Вместе с тем, как указано выше, нитрогеназа катализирует восстановление
ионов водорода до молекулярного водорода. Этот последний при участии фер-
мента гидрогеназы поглощается клетками микробов-азотфиксаторов, образуя при
окислении АТР, необходимый для процесса азотфиксации.
Образовавшийся при азотфиксации аммиак вступает в реакцию с а-кетоглю-
таровой кислотой и дает глютаминовую кислоту:
NH3 + НООС—СО—СН2—СН2—СОСН + 2Н+ НОСС—chnh2—сн2—сн2—соон + н2о
Глютаминовая кислота, под влиянием фермента глютаминсинтетазы связывая
затем еще одну молекулу аммиака, дает глютамин. Глютамин, в свою очередь,
взаимодействуя с а-кетоглютаратом под влиянием фермента глютаматсинтазы
(см. с. 360), образует две молекулы глютаминовой кислоты. Эта реакция и фермент
глютаматсинтаза играют важную роль в усвоении аммиака растениями.
При декарбоксилировании, переаминировании и других превращениях глю-
таминовая кислота может дать начало у-аминомасляной кислоте, аспарагину и
ряду аминокислот.
В настоящее время выяснена природа ассимилирующих молекулярный азот
симбиотических микроорганизмов,'развивающихся в корневых клубеньках неко-
торых кустарников и древесных растений — это актиномицеты.
К числу таких растений принадлежат, например, лох (Eleagnus) и ольха
354
(Alnus). Интересно, что
фиксация азота корневыми
клубеньками этих расте-
ний, так же как и у бобо-
вых, стимулируется ко-
бальтом. Опыты с меченым
азотом 15N показали, что в
отличие от Azotobacter,
Clostridium и клубеньков
бобовых растений, где пер-
выми продуктами ассими-
ляции молекулярного азо-
та являются глютаминовая
кислота, глютамин и аспа-
рагин, в клубеньках оль-
хи меченый азот обнару-
живается в первую очередь
не только в глютаминовой
гл ютам ат
глютамин
аспарагин
цитруллин
— 2NH3
углеводы
поли -)3-оксибутират
91. Схема взаимосвязи процессов, лежащих в основе фи-
ксации молекулярного азота
микроорганизмами
кислоте, но и в цитрулли-
не, содержание которого в клубеньках ольхи особенно велико.
Взаимосвязь процессов, лежащих в основе фиксации молекулярного азота
атмосферы микроорганизмами, представлена на рис. 91.
Дальнейшие исследования природы и действия ферментных систем, участву-
ющих в биологической фиксации азота, не только позволят понять сущность этого
исключительно важного биологического процесса, но и укажут новые пути усо-
вершенствования технологического процесса синтеза аммиака, требующего в хи-
мической промышленности высоких температур и давлений, и происходящего в
клетке азотфиксирующего микроорганизма с исключительной эффективностью
при обычной температуре и давлении.
Весьма интересной, практически важной, но вместе с тем мало изученной
является проблема азотистого питания растений, имеющих на корнях микоризу—
грибное образование, покрывающее корень снаружи или проникающее внутрь
корня. Микоризы имеются у огромного количества растений, особенно древесных
и распространенных на болотах. По-видимому, образование микориз облегчает
питание растений, в частности усвоение ими азотистых соединений. На это ука-
зывают опыты, проведенные с грибом Boletus variegatus, являющимся микоризным
грибом проростков сосны (Pinussilvestris). Получая азот в виде меченной 15N глю-
таминовой кислоты, гриб передает этот меченый азот проростку сосны. Роль ми-
коризы, по-видимому, заключается в том, что она облегчает усвоение растением
фосфора.
Многие растения используют в качестве источника азотистого питания белки
и продукты их гидролитического распада. К числу таких растений относят насе-
комоядные растения и растения-паразиты. Насекомоядные растения, подобные не-
пентесу и росянке, или мухоловке, имеют специальное приспособления для улав-
ливания насекомых в виде особых кувшинчиков, клейких железок или клейких
двустворчатых листьев, закрывающихся при попадании на них насекомого. Эти
растения выделяют весьма активные протеолитические ферменты, растворяющие
белки, содержащиеся в теле насекомых. Так, например, волоски, находящиеся
на поверхности листа росянки, выделяют клейкую и густую жидкость, которая
содержит активный протеолитический фермент с оптимумом действия при pH 3,2;
кувшинчики непентеса также содержат протеиназу, оптимум действия которой
находится при pH 3.,
Таким образом, протеиназы, выделяемые насекомоядными растениями,
сходны с пепсином, в том отношении, что оптимум их действия лежит
12*
355
в кислой зоне значений pH; однако имеющиеся данные все же указывают на то,
что эти ферменты не тождественны пепсину животных.
Паразиты, подобные заразихе, развивающейся на корнях подсолнечника,
лишены хлорофилла, и процесс фотосинтеза в них не идет. Высасывая соки из
растения-хозяина, на котором они паразитируют, заразиха и другие подобные ей
бесхлорофилльные растения-паразиты в качестве источника азотистого питания
используют аминокислоты и другие продукты расщепления белка. Однако точные
данные об азотистом питании этих растений пока отсутствуют.
Ассимилировать органические азотистые соединения могут не только бобо-
вые растения, усваивающие аминокислоты, образующиеся в клубеньках, не толь-
ко паразиты и насекомоядные растения, но также и все другие высшие растения.
Это показано с помощью так называемых стерильных культур высших растений,
при культивировании их на питательных растворах в условиях, исключающих
возможность развития микроорганизмов. Техника стерильных культур была в
совершенстве разработана Д. Н. Прянишниковым и его учениками, особенно
Г. Г. Петровым. Опыты показали, что как целые растения, так и отдельные орга-
ны и кусочки тканей растений могут расти и развиваться, получая в качестве ис-
точника азотистого питания такие вещества, как смесь различных аминокислот,
мочевину, аспарагин или гидролизаты белка. Установлено, что проростки таба-
ка или зародыши, выделенные из семян различных растений, могут усваивать в
качестве источника азота смесь аминокислот; проростки кукурузы используют
аспарагин, ячмень — лизин, а корни томатов — гликокол. Весьма интересны
данные, указывающие на то, что многие растения могут усваивать непосредствен-
но в неизменном виде мочевину, вносимую в почву в большом количестве с наво-
зом. Однако несмотря на то что высшие зеленые растения могут усваивать органи-
ческие соединения азота и могут строить из них белки, нормальное развитие этих
растений возможно только в том случае, если они находятся на свету и образуют
органическое вещество в процессе фотосинтеза. По-видимому, как это было вы-
сказано В. В. Сапожниковым и академиком С. П. Костычевым и как это следует
из работ Г. Бурштрёма и А. А. Ничипоровича, процесс синтеза белка в растении
теснейшим образом связан с фотосинтезом.
Большая часть низших бесхлорофилльных растений — грибов и бактерий —
может питаться неорганическими азотистыми веществами — аммиаком и нитра-
тами, даваемыми им одновременно с каким-либо готовым источником углеродис-
того питания, например сахаром. Таким образом, эти растения так же, как и выс-
шие зеленые растения, содержащие хлорофилл, коренным образом отличаются от
животных тем, что могут строить все аминокислоты и белок своего тела за счет
неорганических азотистых соединений.
Вместе с тем высшие растения отличаются от животных тем, что ассимилиро-
ванный ими азот не теряется с выделениями, подобными моче и экскрементам.
Таким образом, в отличие от животного растение чрезвычайно экономно обходит-
ся с ассимилированным азотом.
Наряду с аммиаком и нитратами грибы и бактерии могут усваивать также азот
различных органических соединений. Все источники азотистого питания низ-
ших бесхлорофилльных растений могут быть разделены на три группы: неорга-
нические источники азота — аммиак, нитриты и нитраты; органические азотис-
тые соединения, азот которых должен предварительно подвергнуться минерали-
зации, т. е. превращению в аммиак; органические азотистые соединения, которые
могут ассимилироваться грибами и бактериями в неизменном виде, к их числу
принадлежат содержащиеся в белках природные аминокислоты.
Понятно, что микроорганизмы, способные ассимилировать молекулярный
азот атмосферы, —как свободно живущие (Clostridium и Azotobacter), так и клу-
беньковые бактерии, — составляют особую, четвертую группу.
Для грибов, как правило, наилучший источник азотистого питания — ам-
356
миачные соли; нитраты и нитриты усваиваются низшими бесхлорофилльными
растениями хуже, чем аммиак. Необходимо отметить, что лучшее или худшее ус-
воение аммиака или нитратов низшими бесхлорофилльными растениями зависит
от химической природы источника углеродистого питания. Так, например, грибы,
развивающиеся на сахаре, усваивают нитраты так же хорошо, как и аммиачные
соли; однако если источником углеродистого питания для этих грибов служит
маннит, то аммиачные соли усваиваются значительно лучше, чем нитраты.
В большинстве случаев грибы и бактерии при питании органическими азо-
тистыми соединениями разлагают их, превращая содержащийся в них азот в
конце концов в аммиак и используя этот последний для построения аминокислот
и белков, входящих в состав их тела. Химизм процессов, происходящих при аммо-
нификации органических азотистых веществ, описан ранее (см. с. 352).
Нужно отметить, что различные органические соединения азота в разной степени мо-
гут удовлетворять потребность грибов или плесеней в азотистом питании. Так, например,
если за 100 принять питательную ценность фосфорнокислого аммония, обеспечивающего
хороший рост и развитие дрожжей, то соответствующая величина для гликокола будет рав-
на 15, лизина — 8, аланина — 68, глютаминовой кислоты — 124, аспарагиновой кисло-
ты — 128 и аспарагина — 142. Эги различия отчасти объясняются тем, что
различные азотистые соединения с разной скоростью дезаминируются дрожжа-
ми. Вместе с тем, по-видимому, безазотистые соединения, остающиеся после отщепления
аммиака от того или иного органического источника азота, в различной степени могут удов-
летворять потребность дрожжей в углеродистом питании.
Аминокислоты могут усваиваться дрожжами и другими микробами также в
неизменном виде, не подвергаясь предварительному разложению с образованием
аммиака.
Некоторые микроорганизмы не могут строить белки только из неорганичес-
ких источников азота и требуют для своего роста и развития целый ряд аминокис-
лот, которые усваиваются ими в неизменном виде. Таким образом, эти микроор-
ганизмы по способу своего азотистого питания сходны с животными, которые так-
же не могут синтезировать многих (около 10) аминокислот, называемых поэтому
«незаменимыми» (см. с. 27) или обязательными. К числу подобных микроорга-
низмов, нуждающихся в «незаменимых» для них аминокислотах, относятся, на-
пример, золотистый стафилококк, вызывающий образование гнойных ран, гемо-
литический стрептококк и молочнокислые бактерии. В зависимости от физиологи-
ческих особенностей микробов количество «незаменимых» для них аминокислот
различно. Так, например, для золотистого стафилококка обязательно наличие
в питательной среде всего лишь двух аминокислот — триптофана и цистина;
для молочнокислой бактерии Lactobacillus easel обязательно наличие 16 аминокис-
лот, а для гемолитического стрептококка — 17. Таким образом, гемолитический
стрептококк — развивающийся в крови паразит, по своей потребности в «неза-
менимых» аминокислотах значительно превосходит животный организм.
Это свойство указанных микроорганизмов развиваться лишь при наличии в
питательной среде обязательных для них аминокислот широко используется в на-
стоящее время для количественного определения этих последних. Так, например,
для таких аналитических целей очень часто используются молочнокислые бакте-
рии и в частности, упоминавшийся выше Lactobacillus easel.
Принцип микробиологического метода количественного определения той или
иной аминокислоты заключается в следующем: составляют питательную среду,
содержащую все вещества, в том числе и все аминокислоты, необходимые для раз-
вития данного микроба, за исключением той аминокислоты, содержание которой
в данном пищевом продукте определяется. В один ряд пробирок с этой средой
добавляют возрастающие количества испытуемого пищевого продукта, а в другой
ряд — возрастающие количества определяемой аминокислоты. Затем добавляют
во все пробирки культуру применяемого для анализа микроба (например, Lacto-
357
bacillus easel), и, сравнивая интенсивность роста бактерий в обоих рядах проби-
рок, вычисляют содержание данной аминокислоты в анализируемом продукте.
Аминокислоты, ассимилируемые микроорганизмами в неизменном виде, мо-
гут играть двоякую роль — как вещества, необходимые для построения белков,
содержащихся в теле данного микроба, или же как вещества, необходимые лишь
в весьма незначительных количествах для построения активных групп тех или
иных ферментов. В последнем случае аминокислоты являются своего рода вита-
минами для микробов. Так, например, установлено, что Р-аланин является по-
добным витамином для дрожжей, глютамин играет аналогичную роль в питании
некоторых болезнетворных микроорганизмов, а глютаминовая кислота участвует
в построении ферментов, катализирующих синтез пуриновых оснований и пепти-
дов у молочнокислой бактерии Lactobacillus easel.
СИНТЕЗ АМИНОКИСЛОТ И БЕЛКОВ
Каковы же пути образования в растении аминокислот, этих основных струк-
турных единиц, из которых строится белок?
Характерной особенностью растений, отличающей их от животных, являет-
ся способность к синтезу всех входящих в состав белка аминокислот непосредст-
венно за счет неорганических азотистых соединений: аммиака и нитратов. При
этом у зеленых растений, содержащих хлорофилл и способных к фотосинтезу,
источником углерода служит углекислый газ; таким образом, они могут строить
белки целиком за счет неорганических соединений. Этой же способностью облада-
ют микроорганизмы-хемосинтетики. Все остальные лишенные хлорофилла низ-
шие растения — грибы и бактерии — для синтеза белка кроме аммиака или ни-
тратов используют еще готовый источник углеродистого питания, которым обыч-
но является сахар.
Каким же способом нитраты и аммиак преобразуются в теле растений в
аминокислоты и затем в белки?
Прежде всего необходимо отметить, что свободный аммиак ядовит для рас-
тений и поэтому обычно при питании аммонийными солями растения не накапли-
вают свободный аммиак в своем теле, а сразу же используют его на синтез амино-
кислот, белков или амидов. Нитраты же могут накапливаться в некоторых рас-
тениях в очень больших количествах. Так, например, значительные количества
нитратов накапливаются в гречихе и табаке. Установлено, что нитраты, прежде
чем вступить во взаимодействие с углеводами или продуктами их превращений,
подвергаются восстановлению до нитритов и затем до аммиака. Это показано при
подкормке зеленых растений, а также плесневых грибов избыточными дозами
нитратов или же при культивировании тех же организмов в условиях недостаточ-
ного снабжения углеводами. При этих условиях наблюдается выделение грибом
или же корнями растений аммиака и нитритов. Вместе с тем установлено, что ни-
триты могут хорошо усваиваться растениями и служить для них источником
азота.
Процесс ферментативного восстановления нитратов до аммиака идет следую-
щим образом:
HNO3 HNO2..........NH3
Нитраты Нитриты Аммиак
Из некоторых бактерий, плесеней и высших растений выделены ферментные
препараты, восстанавливающие нитраты до нитритов и далее эти последние до
аммиака; такие препараты выделены, например, из кишечной палочки Escherichia
coll, из плесени Neurospora crassa, из листьев сои и пшеницы и из прорастающих
семян бобовых растений. Ферменты, катализирующие восстановление нитратов
358
jo аммиака, представляют собой металлофлавопротеиды. Так, для действия нит-
ратредуктазы (1.6.6.1), катализирующей восстановление нитратов до нитритов,
необходим молибден.
Таким образом, восстановление нитратов и нитритов до аммиака представля-
ет собой процесс, имеющий универсальное значение. Этот процесс происходит в
высших зеленых растениях, способных к фотосинтезу, в выросших в темноте и
потому лишенных хлорофилла так называемых этиолированных растениях, а
также у грибов и бактерий.
Аммиак, поглощенный растением в виде аммонийных солей или же образо-
вавшийся в нем в результате восстановления нитратов, вступая в реакцию с кето-
кислотами, образует аминокислоты. Так, например, реагируя под действием фер-
мента аланиндегидрогеназы (1.4.1.1) с пировиноградной кислотой, аммиак дает
а-аланин:
NH3 + СН3—СО—СООН + 2Н+ СН3—CHNH2—СООН + Н2О
Аммиак Пировиноградная Аланин
кислота
Приведенное уравнение этой реакции — суммарное. В действительности же
реакция протекает в две стадии. На первом этапе из аммиака и кетокислоты обра-
зуются иминокислота и вода:
NH3 + СН3—СО—СООН СН3—C(=NH)—СООН + Н2О
Иминокислота затем восстанавливается NADH + Н+, в результате образу-
ется аминокислота:
СН3—C(=NH)—СООН + 2Н+ СН3—CHNH2—СООН
Подобный способ образования аланина доказан для ряда бактерий, растений
и дрожжей.
Особенно легко аммиак реагирует с а-кетоглютаровой кислотой:
НООС—СН2—СН2—СО—СООН + NH3 + 2Н+ НООС—сн2—сн2—chnh2—СООН + Н2О
а-Кетоглютаровая кислота Глютаминовая кислота
Из животных, дрожжей, многих бактерий и растений выделен фермент глю-
таматдегидрогеназа (1.4.1.2), катализирующий образование глютаминовой кис-
лоты указанным образом.
Одна из дикарбоновых аминокислот — аспарагиновая — может синтези-
роваться путем присоединения аммиака к фумаровой кислоте:
НООС—СН=СН—СООН + NH3 ЗИ НООС—CH2—CHNH2—соон
Фермент аспарат-аммиак-лиаза (4.3.1.1), катализирующий эту реакцию, выделен
из некоторых бактерий.
Пировиноградная и а-кетоглютаровая кислоты — важнейшие продукты
превращения углеводов в организме животных и растений. Поэтому описанная
выше реакция образования аминокислот путем прямого аминирования кетокислот
аммиаком имеет большое значение как путь, тесно связывающий обмен углеводов,
с одной стороны, и обмен аминокислот и белков, с другой. Эта связь усугубляется
и тем, что аминокислоты могут передавать свои аминные группы кетокислотам пу-
тем реакции ферментативного переаминирования (см. с. 123).
Важную роль в ассимиляции аммиака у растений играет глютаминсинтетаза,
катализирующая при участии АТР синтез глютамина из глютаминовой кислоты и
359
аммиака (см. с. 148). Образовавшийся глютамин далее, при участии фермента глю-
таматсинтазы (1.4.1.13), реагирует с а-кетоглютаратом, образуя две молекулы глю-
таминовой кислоты:
2е~
H2NCC—СН2—СН2—CHNH2—СООН + НООС—СН2—СН2—СО—СООН —*
-> 2НООС—СН2—СН2—CHNH2—СООН
В зеленых частях растений и у фотосинтезирующих зеленых водорослей ис-
точником электронов для этой реакции является ферредоксин, а у бактерий и
в корнях растений — NADPH или NADH.
Источником серы для синтеза серусодержащих аминокислот являются суль-
фаты. Взаимодействуя с АТР, сульфат под действием фермента АТР-сульфури-
лазы (2.7.7.4) дает аденозин-5'-фосфосульфат (APS):
АТР + SO^- APS + РР (пирофосфат)
APS, реагируя с новой молекулой АТР при участии фермента APS-киназы, обра-
зует 3'-фосфоаденозин-5'-фосфосульфат (PAPS):
APS АТР PAPS -Р ADP
Аденозин-5'-фосфосульфат (APS)
3 -Ф осфоаденозин-5 -ф осф осульф ат (РAPS)
APS и PAPS — промежуточные соединения на пути восстановления сульфата в
сульфит и далее в цистеин, который, в свою очередь, является исходным соеди-
нением для синтеза метионина.
Образование аминокислот в растительном и животном организме может про-
исходить также в результате ферментативного превращения одной аминокислоты
в другую. Так, пролин, присоединяя кислород, дает оксипролин. Подвергаясь
дегидрированию и ряду дальнейших превращений, пролин может образовать ор-
нитин или глютаминовую кислоту.
Взаимосвязь этих аминокислот представлена на следующей схеме:
360
Н2С-СН2 СООН + —
Н2С\ /с\^ *
N Н
н
н
но—с-сн2
N
Оксипролин
Пролин
— 2Н+||
Н2С—СН2
н.
+ Н2О
Н2С—СН2
| I .СООН
Н,
+NH3f
-Н2О| I
+Н2 | 1
Н2С-СН2
Н2С С—н
l2
Нг
Орнитин
Н2С—сн2
т—> I I /СООН
НС с<
\Н
N
+ н20
1
Н2С-СН2
I I /СООН
НООС с/
Глютаминовая кислота
При этом необходимо подчеркнуть, что реакции, ведущие от пролина к глю-
таминовой кислоте и орнитину, обратимы. Таким образом, орнитин может являть-
ся исходным веществом для синтеза циклических пятичленных аминокислот —
пролина, оксипролина и их производных. Интересным примером превращения
аминокислот, при котором происходит циклизация и образование шестичленного
азотистого кольца, является синтез пипеколиновой кислоты из лизина. Этот про-
цесс идет так: jf
Н2С СН2 Переаминирование Н2С СН2 — Н2О
н2с сн—соон hJ: с—соон
\ \ \ 'Ч
NH2 NH, NH2 О
Лизин
N
N О
N
сн2
н2о н2с/Чсн2
—> I I
Н2С с—соон
N
+ 2Н+ Н
Пипеколииовая
кислота
361
Подобное превращение лизина в пипеколиновую кислоту показано с помо-
щью лизина, меченного радиоактивным углеродом 14С, на примере фасоли и плес-
невого гриба Neurospora crassa. Необходимо подчеркнуть, что реакции подобного
рода, приводящие к образованию пирролидиновых и пиридиновых гетероциклов,
играют важную роль в процессах биосинтеза алкалоидов из аминокислот. Гисти-
дин под действием соответствующей ферментной системы дает глютаминовую кис-
лоту и аммиак. Аргинин под влиянием аргиназы превращается в орнитин и моче-
вину. Фенилаланин может превращаться в тирозин, а гомоцистеин в метионин.
Все эти реакции — примеры вторичного образования аминокислот при пре-
вращении одной из них в другую.
Каким же образом происходит соединение отдельных аминокислот в молеку-
ле белка и какие ферменты катализируют этот процесс? Каким образом происхо-
дит синтез белка?
Проблема синтеза белка — одна из величайших проблем современной нау-
ки. Протеолитические ферменты in vitro могут производить не только гидролиз
белка, но и синтез пептидов. Исследования, показавшие ферментативный синтез
пептидов, проведены М. Бергманном и его сотрудниками с папаином; под действи-
ем папаина, например, происходит конденсация бензоилглицина с глицинанили-
дом, сопровождающаяся образованием пептидной связи:
С6Н5—N—С—СН2—NH + HOC—СН2—N—С—С6Н5 -> Н2О +
I II I II I II
НО н о но
Глицинанилид Бензоилглииин
+ CeH5—N—С—СН2—N—С—СН2—N—С—СвН5
I II I t II I II
НО н • о но
Пептидная
связь
Весьма существенно, что подобные синтезы протекают при тех же условиях
pH, температуры и концентрации, при которых папаин проявляет свое наиболее
активное гидролитическое действие. В данном случае сдвиг равновесия в сторону
синтеза достигается тем, что продукт реакции, имея очень незначительную раст-
воримость, сразу же после образования выпадает из раствора в виде кристаллов.
Рассматривая свойства протеолитических ферментов, мы указывали, что они
катализируют также и реакции транспептидации (с. 140). Об этом, например, сви-
детельствуют результаты опытов, проведенных Д. Фрутоном с фицином. При
действии этого фермента на карбобензокси- L-изоглютамин и L-метионинамид пу-
тем реакции транспептидации образуется полипептид, в котором на 11 остатков
метионина пр^одится один остаток глютаминовой кислоты. Таким образом, он
представляет собой карбобензокси-Ь-глютамил-(Ь-метионил)10-Ь-метионинамид.
При этом особенно интересно, что если природный L-метионинамид заменить
D-метионинамидом, то синтез не идет.
Рассмотренные выше примеры синтеза пептидов свидетельствуют об обрати-
мости действия протеолитических ферментов.
Однако установлено, что синтезы полипептидов, проводимые in vitro с по-
мощью протеаз, хотя и являются доказательством принципиальной обратимости
действия ферментов, но в живой клетке обычно не происходят. Синтез белков в
организме происходит гораздо более сложным путем при участии нуклеиновых
кислот.
Т. Касперсон, Ж. Браше и ряд других исследователей на самых различных
объектах показали, что интенсивность синтеза белка в клетках и тканях тесней-
шим образом связана с содержанием в них рибонуклеиновой кислоты.
Хорошим примером этой связи являются результаты, полученные К. Мотесом
в опытах по укоренению срезанных с растения желтеющих нижних листьев таба-
362
срезанном
после его
Рис. 92. Накопление белка и РНК в
с растения желтеющем листе табака
укоренения
ка. Если обработать черешок тако-
го листа гетероауксином, то он
прекрасно укореняется, снова зе-
ленеет и при культивировании на
минеральном питательном растворе
накапливает значительное количе-
ство белка.
На рис. 92 показано изменение
содержания белка и РНК в таком
листе после укоренения; накопле-
ние белка и накопление рибонук-
леиновой кислоты происходят па-
раллельно.
Важная роль рибонуклеиновой
кислоты в синтезе белка показана
также экспериментальным путем с
помощью различных методов. Так,
например, установлено, что расще-
пление рибонуклеиновой кислоты
ферментом рибонуклеазой подавля-
ет способность клеток и тканей к
синтезу белка. Синтез белка в
клетках амебы и в корешках го-
роха или лука прекращается пос-
ле их обработки рибонуклеазой;
точно так же рибонуклеаза влияет на синтез белка в лишенных клеточной
стенки дрожжевых клетках (протопластах); под действием рибонуклеазы вирус
табачной мозаики теряет способность размножаться в тканях табачного растения;
разрушенные ультразвуком клетки бактерий, сохраняющие еще способность син-
тезировать белок, теряют ее после воздействия рибонуклеазы; в рибосомах, вы-
деленных из различных растений, в присутствии рибонуклеазы прекращается
синтез белка.
Важным доказательством первостепенной роли рибонуклеиновой кислоты в
синтезе белка являются уже упоминавшиеся ранее (см. с. 66) опыты Г. Шрамма
и Г. Френкель-Конрата. Ими было установлено, что выделенная из вируса табач-
ной мозаики рибонуклеиновая кислота при введении в здоровый лист табака вы-
зывает в нем синтез белка, входящего в состав этого вируса. Более того, если
из вируса табачной мозаики выделить рибонуклеиновую кислоту, подвергнуть ее
химической обработке азотистой кислотой, при которой изменяется нуклеотид-
ный состав РНК, а затем такую химически модифицированную РНК ввести в
растения табака, то они заболевают мозаичной болезнью, несколько отличной от
обычной табачной мозаики. При этой обработке содержащийся в рибонуклеино-
вой кислоте цитозин дезаминируется и превращается в урацил.
В соответствии с этим вновь синтезированный в тканях растения белок вируса
табачной мозаики имеет несколько измененный аминокислотный состав. Таким
образом, совершенно очевидно, что вызванное азотистой кислотой изменение
состава и структуры РНК приводит к изменению состава и структуры белка,
образующегося в листьях табака под влиянием этой химически измененной РНК.
Все эти факты ясно свидетельствуют о важнейшей роли рибонуклеиновых
кислот в синтезе белка.
Как же в организме обеспечивается специфичность синтеза белков, как в жи-
вой клетке регулируется процесс образования специфических, белков-ферментов,
свойственных данной клетке и определяющих характерный для нее тип обмена
веществ? Выше мы указывали, что у некоторых вирусов (например, табачной
363
мозаики) специфическая структура белка определяется содержащейся в вирусе
рибонуклеиновой кислотой. Это следует из того факта, что очищенная РНК ви-
руса, введенная в здоровое растение табака, вызывает в нем синтез специфичес-
кого белка, входящего в состав данного вируса. Если у некоторых вирусов и бак-
териофагов специфическая структура белка определяется РНК, то у всех других
представителей живого мира способность к синтезу специфических белков и пе-
редача этой способности по наследству определяется ДНК.
В 1944 г. было открыто явление трансформации бактерий. Оно заключается
в следующем. Если в культуру бактерий одного вида ввести очищенный препарат
ДНК, выделенный из другого вида бактерий, то под влиянием этого препарата
бактерии приобретают передающиеся по наследству свойства, характерные для
того вида микроорганизмов, из которого была выделена ДНК- Так, например,
микроб Streptococcus viridans не сбраживает трегалозу и рафинозу. Однако если к
его культуре прибавить препарат ДНК, выделенный из клеток определенного
вида Pneumococcus, сбраживающего эти сахара, то стрептококк приобретает пере-
дающуюся по наследству способность сбраживать трегалозу и рафинозу. Если
одновременно с препаратом ДНК к культуре прибавить расщепляющую ДНК
дезоксирибонуклеазу, то никакой трансформации стрептококка не происходит.
Таким образом, совершенно очевидно, что для приобретения наследуемой способ-
ности синтезировать ферментные белки, необходимые для сбраживания рафинозы
и трегалозы, ДНК, выделяемая из пневмококков, должна сохранить свойственную
ей специфическую молекулярную структуру.Опыты по трансформации пневмокок-
ков показали, что клетки штамма, не сбраживающего маннит, приобретают на-
следуемую способность к его сбраживанию под влиянием препарата ДНК, выде-
ленного из штамма пневмококков, обладающего такой способностью. При этом
показано, что под действием препарата ДНК в клетках пневмококков, не способ-
ных сбраживать маннит, образуется специфический фермент маннит-6-фосфатде-
гидрогеназа, необходимый для сбраживания маннита.
Важные факты, указывающие на первостепенную роль ДНК в процессе син-
теза белков, получены при изучении размножения бактериофагов, иначе называе-
мых вирусами бактерий. Как известно, бактериофаг прикрепляется к оболочке
бактерии и затем вводит в нее содержащуюся в нем ДНК с небольшим количест-
вом белка. Под влиянием этих веществ начинается преобразование содержимого
бактерии, возникают многочисленные новые частицы бактериофага, которые раз-
рушают оболочку бактериальной клетки и выходят наружу. Таким образом, мож-
но было думать, что для репродукции бактериофага в клетке бактерии, а следова-
тельно, для синтеза всех белков, входящих в его состав, обязательно необходима
как ДНК фага, так и то небольшое количество фагового белка, которое фаг вво-
дит в бактерию. Однако если из некоторых штаммов бактериофага выделить очи-
щенный препарат ДНК и прибавить его к бактериальным протопластам, то в про-
топластах начинается репродукция бактериофага.
Таким образом, синтез белков бактериофага со свойственной им специфичес-
кой структурой и ферментативной активностью направляется именно препаратом
фаговой ДНК.
Каков же механизм синтеза белков в живой клетке и какова роль нуклеино-
вых кислот в этом процессе?
Прежде всего нужно отметить, что синтез белков происходит в субклеточных
структурах — рибосомах. Рибосомы представляют собой частицы приблизитель-
но сферической формы, имеющие в диаметре 250—350 А и состоящие из прибли-
зительно равных количеств белка и высокомолекулярной рибосомальной РНК.
Важное свойство рибосом — их способность к зависящей от концентрации маг-
ния обратимой диссоциации на две неодинаковые субчастицы — большую и
малую.
364
Рибосомы цитоплазмы животных клеток имеют коэффициент седиментации в
ультрацентрифуге,равный 80 единицамСведберга. Поэтому говорят, что они пред-
ставляют собой 80 S рибосомы, а у бактерий — 70S рибосомы. У высших расте-
ний в цитоплазме содержатся 80S рибосомы, а в хлоропластах — 70S рибосомы.
При изменении концентрации магния и при некоторых других условиях рибосо-
мы диссоциируют на субчастицы следующим образом:
70S 50S + 30S
80S 60S -I- 40S
В большой субчастице 80S рибосом растений содержится РНК с молекуляр-
ной массой 1,3 х 10б, а в малой субчастице — с молекулярной массой 0,76 х
X 106; в большой и малой субчастицах 70S рибосом хлоропластов соответствую-
щие РНК характеризуются молекулярными массами 1,1 х 106 и 0,56 х 10б.
Кроме того (см. с. 63), в большой субчастице рибосомы найдена низкомолекуляр-
ная РНК, получившая название 5S РНК-
В составе рибосом Е. coll найдено 55 белков преимущественно основного ха-
рактера — 21 в малой субчастице и 34 — в большой. В рибосомах высших рас-
тений найдено свыше 70 различных белков.
Обязательным компонентом рибосом является магний. Его содержание в ри-
босоме может достигать 2—2,5% на сухую массу. Как отмечалось выше, магний
играет важнейшую роль в поддержании активной структуры рибосом.
Рибосомы обнаружены в цитоплазме, митохондриях и хлоропластах.
Необходимо подчеркнуть, что синтез белка в рибосоме происходит за счет
энергии, выделяющейся при дыхании и брожении. Ферментативный синтез белка
в живых системах начинается с процесса активирования аминокислот. При этом
под действием специфических ферментов и при участии аденозинтрифосфорной
кислоты как источника энергии активируется карбоксильная группа аминокис-
лоты. В результате выделяется сво-
бодный пирофосфат и образуется
связанное с ферментом соединение,
состоящее из аденозинмонофосфата
и активированной аминокислоты
(аминоациладенилат).
Для каждой аминокислоты
имеется специфический фермент,
активирующий именно данную
аминокислоту — триптофан, фени-
лаланин и т. д. Под действием со-
ответствующих ферментов активи-
руются не только природные L-фор-
мы аминокислот, но и D-формы.
Так, например, из Bacillus subtilis,
Lactobacillus arabinosus и из других
микроорганизмов выделены фер-
менты, активирующие D-аланин.
По-видимому, это активирование
D-аланина представляет собой пер-
вую стадию в синтезе полипепти-
дов, состоящих из остатков D-ала-
нина и входящих в состав клеточ-
ных стенок многих микробов.
Схема процесса активирования
НС—NH3
Аденозинтрифосфат
Аминокислота
Д Д Комплекс фермента,
и и аденозинмонофосфата
Пирофосфат и активированной
аминокислоты
Рис. 93. Схема процесса активирования амино-
кислот
аминокислот представлена на рис.
93. Дальнейшие превращения ак-
365
тивированной аминокислоты происходят при участии транспортной рибонук
леиновой кислоты (тРНК), специфической для каждой данной аминокислоты
При этом активированная аминокислота связывается с молекулой этой транспо
ртной рибонуклеиновой кислоты. Процесс идет в две стадии:
1. Образование соединения фермента с АМР и аминокислотой:
Mg2+
Аминокислота + АТР фермент < > аминоацил — АМР — фермент + РР
2. Присоединение активированной аминокислоты к специфической для дан-
ной аминокислоты тРНК:
Mg2+
Аминоацил — АМР — фермент + тРНК -> аминоацил — тРНК + фермент + АМР
Образовавшееся соединение транспортной рибонуклеиновой кислоты и акти-
вированной аминокислоты связывается с рибосомой, в которой уже происходит
собственно процесс синтеза белка.
На основании огромного экспериментального материала, накопленного в
настоящее время, участие ДНК и РНК в процессе синтеза белка представляется
в следующем виде.
Молекулярная структура ДНК, содержащейся в клеточном ядре, определя-
ет структуру белков, синтезируемых в рибосомах. Таким образом, в молекуляр-
ной структуре ДНК как бы записана, зашифрована последовательность амино-
кислот в молекулах белков, синтезируемых в рибосомах. Каким же образом про-
исходит передача этого шифра в рибосому?
Передача информации, зашифрованной в структуре ДНК, осуществляется
посредством особой РНК, называемой «РНК-посредник», или, иначе, «информа-
ционная РНК». Эта фракция РНК, обычно называемая теперь матричной РНК
(мРН К), составляет очень небольшую часть (около 5 %) от всего количества PH К,
содержащегося в клетке. Передача в рибосому информации, зашифрованной в
молекуле ДНК, через информационную РНК происходит благодаря тому, что
пуриновые и пиримидиновые основания, входящие в состав нуклеиновых кислот,
обладают комплементарностью (см. с. 63).
Передача «шифра», от ДНК и синтез информационной РНК осуществляется
при участии фермента ДНК-зависимой РНК-полимеразы (см. ниже), которая
«сидит» на одной из полинуклеотидных цепочек ДНК. Под действием этого фер-
мента свободные аденозинтрифосфат, цитидинтрифосфат, уридинтрифосфат и гуа-
нозинтрифосфат, полимеризуясь, образуют полинуклеотидную цепочку информа-
ционной РНК, комплементарную ко второй цепочке ДНК. Отдельные этапы син-
теза информационной РНК схематически представлены на рис. 94. Образовав-
шаяся в ядре молекула информационной РНК связывается с соответствующими
белками, образуя субклеточные структуры, открытые А. С. Спириным с сотруд-
никами и получившие название информосомы. Очевидно, на некоторых
этапах жизни растения, например в зародыше созревшего семени, информацион-
ная РНК может длительное время, до прорастания, сохраняться в неактивном
(латентном) состоянии именно в виде информосом.
Информационная РНК включается в рибосомы, куда передает заключенный
в ней «шифр», согласно которому будут синтезированы соответствующие белки.
В рибосому поступают также активированные аминокислоты, доставляемые туда
транспортной РНК и соединяющиеся там в соответствующую полипептидную це-
почку.
Специфическая структура синтезируемого в рибосомах белка определяется
не природой рибосом, а именно молекулярной структурой информационной РНК.
Замечательное доказательство того, что не происхождение рибосом, а молеку-
лярная структура информационной РНК определяет структуру и свойства синте-
366
ZT\ /Т\ ZTX
j X i X i X i
^ОКСИР^ ^okcvH^
2
/7\
A V J
4eJ >'7W
^’«РИБОЗА у О-Д
°^СИР1^° £
ЗОКС^/)
I 4.
'0
7д
%ГСИР1^
e
rn
^4боза-фосфа1'ПЕЗОЛГс%
/ С
4 ^Ы>3Л аХ0К?И%
* G к^ U X4-> fX С X,
Ла ; .4® ! <^° I 7
т а° Л* с »ОС ! Хл* А
°А-СИРИ60 ^окХ?*5’ л^оз^
5 ^Ь°34
А
X -
ЧР1БО^
U
0 V ^о'Ч
ЛбОЗА'® ^БОЗ14' Л
е
.о
о
е
ч
^0
Ч G
ЧозЬ
ч
Z -^ДЕЗОКСИ>-
Л^ОЗА-ФОСФ^ / £
Рис. 94. Схема синтеза информационной РНК:
1 — схема молекулы ДНК’ 2 — «расплетающаяся» молекула ДНК; 3 — од-
на из полинуклеотидных цепочек ДНК с присоединяющимися к ней в соот-
ветствующем месте трифосфатами аденозина, цитидина, уридина и гуано-
зина; 4 — комплекс полинуклеотидной цепочки — матрицы ДНК и вновь
образовавшейся на ней полинуклеотидной цепочки информационной РНК;
5 — «расплетающийся» комплекс
зируемого белка, впервые было получено в опытах М. Ниренберга и Д. Маттеи,
в которых к рибосомам и смеси активируемых аминокислот добавляли синтетичес-
кий полирибонуклеотид, а именно полиуридиловую кислоту. При этом в рибосо-
мах синтезировался полифенилаланин, т. е. полипептид, состоящий только из
остатков фенилаланина. Эти опыты, а также ряд других экспериментов ясно пока-
зали, что не рибосома и не рибосомальная РНК, а именно поступающая в рибосо-
му извне информационная РНК является специфической матрицей, контролирую-
щей структуру синтезируемого белка. Вместе с тем опыты с синтетическими поли-
нуклеотидами различной структуры указали путь для расшифровки того кода,
того шифра, с помощью которого в рибонуклеиновой кислоте-матрице зашифрова-
на специфическая последовательность аминокислот в синтезируемых белках.
Идя по этому пути и используя синтетические полирибонуклеотиды различного
состава, М. Ниренберг, С. Очоа, Г. Корана и другие исследователи расшифровали
эти комбинации нуклеотидов, этот код, в котором зашифрована последовательность
аминокислот в белке, синтезируемом в рибосомах. Важно отметить, что код три-
плетный, т. е. включение в белок той или иной аминокислоты определяется ком-
бинацией из трех нуклеотидов, которая называется кодоном. Три триплета —
UAA, UAG и UGA играют роль сигналов для завершения синтеза полипептидной
цепочки и поэтому получили название «терминирующих» кодонов. В табл. 12
приведен нуклеотидно-аминокислотный код, который обычно называют генети-
ческим.
Нуклеотидно-аминокислотный (генетический) код
Таблица 12
1-я буква триплета 2-я буква триплета 3-я буква три- плета
и С А G
UUU 1 Фенилала- UCU 1 UAU | Тирозин UGUU и
иис / нин исс UAC UGC/ иистеин с
и UUA 1 г Лейцин UCA UCG ' Серин UAA 1 Терминиру- UQA ’ Терминиру- А
UUG j UAGj ющие кодоны ющий кодон
UGG Триптофан G
CUU 1 CCU ) CAU | Гистидин CGU т т
С сис CUA , Лейцин ССС ССА ' Пролин САС САА CAG CGC CGA , Аргинин и с А
CUG CCG | Глютамин CGG G
А AUU 1 AUC 1 1 Изолей- ACU 1 АСС AAU ААС | Аспарагин AGU 1 AGC J Серин и с
AUA J цин AUG Метионин АСА ACG ’ Треонин ААА AAG j Лизин AGA AGG Аргинин А G
GUU I GCU ? GAU | Аспарагино- вая кислота GGU g
G GUC GCC GAC GGC с
GUA GUG ’ Валин GCA GCG ’ Аланин GAA 1Глютамино- GGA ’ Глицин А
GAG /вая кислота GGG j G
Рассматривая таблицу генетического кода, можно заметить, что первые две
«буквы», т. е. первые два нуклеотида в кодоне, более важны, чем третьи. Далее
можно отметить, что аминокислоты со сходными свойствами группируются вместе;
например, все триплеты, содержащие на втором месте U (урацил), кодируют гид-
рофобные аминокислоты. Особенно важно подчеркнуть, что генетический код,
по-видимому, универсален, т. е. одинаков для всех организмов — бактерий,
растений и животных.
368
Каким же образом тРНК, несущая на
себе активированную аминокислоту, «узна-
ет» то место в молекуле матричной РНК, к
которому она должна присоединиться и в
котором данная аминокислота включается
в полипептидную цепочку белка?
Это происходит благодаря комплемен-
тарное™ оснований, содержащихся в нук-
леотидах. В молекуле тРНК имеется трип-
лет, который комплементарен определен-
ному кодону матричной РНК и поэтому
соединяется с ним водородными связями.
Этот триплет называется антикодон.
На рис. 95 схематически показана
структура молекулы транспортной РНК и
положение в ней антикодона и того конца
полинуклзотидной цепочки, к которому
присоединяется активированная амино-
кислота.
Для осуществления синтеза белков не-
обходим ряд дополнительных факторов.
Это гуанозинтрифосфат и ряд белковых
факторов — факторы инициации (начала)
синтеза полипептидной цепочки, факторы
элонгации, участвующие в удлинении по-
липептидной цепочки, и факторы термина-
ции (окончания) синтеза полипептидной
цепочки.
Инициация синтеза белка у животных
и в цитоплазме растительных клеток начи-
нается с того, что соединение активирован-
ного метионина и соответствующей тран-
спортной РНК вместе с GTP и фактором
инициации IF — Е2 присоединяется к малой
Антикодон
Рис. 95. Схема строения дрожжевой
тРНК:
комплементарные пары оснований показаны ли-
ниями, соединяющими две ветви полинуклеотид-
ной цепочки (прерывистой линией показана пара,
имеющаяся лишь в некоторых тРНК). X обоз-
начает нуклеотид, варьирующий у разных тРНК.
Нуклеотиды, занимающие одинаковые места в
разных тРНК, обозначены следующим образом:
U — урацил, DMG — диметилгуанин, А — аде-
нин, G — гуанин, С — цитозин, Т — тимин, ф—
псевдоурацил. Цифры в каждой «петле» указы-
вают число образующих ее нуклеотидов. Те
части молекулы, где расположены комплементар-
ные пары нуклеотидов, закручены «на себя» по
спирали
субчастице рибосомы. Образовав-
шееся соединение 40S-Met — tPHKj GTP при участии факторов инициации
IF — ЕЗ, IF — Е4, IF — Е6 и IF7 — El стабилизируется и, взаимодействуя
с АТР, образует комплекс с мРНК. Этот последний при участии фактора ини-
циации IF — Е5 соединяется с субчастицей 60S, образуя комплекс 803-Met —
— тРНКгмРНК. Схема инициации синтеза белка представлена на рис. 96. Та-
ким образом, в цитоплазме растений и у животных «инициатором» синтеза по-
липептидной цепочки является метионин; у бактерий эту роль выполняет N-
формилметионин:
HN—СОН
СН3—S—СН2—СН2—СН—СООН
N -Формилметионин
Однако полипептидные цепи лишь немногих белков начинаются с метионина.
Когда синтез белка в рибосоме заканчивается, то метионильный остаток отщепля-
ется под действием специальной пептидазы.
В рибосомах хлоропластов и митохондрий так же, как и бактерий, «инициа-
тором» синтеза белков является N-формилметионин.
Процесс элонгации (наращивания полипептидной цепочки) осуществляется
при участии GTP и факторов элонгации EF — 1 и EF — 2.
369
40SMet-TPHKf
GTP
Рис. 97. Схема одного цикла элонгации, осуществляемого рибосомой
(А. С. Спирин и Л. П. Гаврилова)
ак — аминокислота, вновь включающаяся в полипептидную цепь
370
Схема элонгации представлена на рис. 97. Соединенная с тРНК аминокислота
(ак) поступает в рибосому в соответствии с «шифром», заключенным в связанной
с рибосомой матричной РНК. В этом процессе участвуют гуанозинтрифосфат и
фактор элонгации EF — 1. Затем, под действием содержащегося в большой
субчастице рибосомы фермента пептидилтрансферазы, происходит образование
пептидной связи и включение этой новой аминокислоты в полипептидную цепь.
В результате следующего этапа транслокации, в котором участвуют гуанозинтри-
фосфат и фактор элонгации EF — 2, полипептидная цепь, увеличившаяся на
один аминокислотный остаток, перемещается в большую субчастицу рибосомы.
Таким образом, завершается один цикл процесса элонгации и рибосома готова к
включению в полипептидную цепь следующей аминокислоты. Завершение
процесса синтеза полипептидных цепей в рибосомах происходит при участии
терминирующих кодонов и соответствующих белковых факторов термина-
ции.
Синтез полипептидной цепочки всегда начинается с N-конца и заканчивается
С-концом.
Молекула информационной РНК связывается сразу с несколькими рибосо-
мами или их агрегатами, которые называют полирибосомами (полисомами). Поли-
сомы найдены в цитоплазме листьев капусты, в зародышах пшеницы, в семядолях
прорастающих семян земляного ореха, в хлоропластах фасоли и ряда других рас-
тений.
Рибосомы — место синтеза белка не только в цитоплазме, но и в митохонд-
риях и хлоропластах.
В процессе синтеза белка в растениях важную роль играют хлоропласты.
Достаточно указать, что около 35—40% всего содержащегося в листьях белка
находится в хлоропластах. При «гибридизации» большой и малой субчастиц ри-
босом, выделенных из Е. coli и хлоропластов высшего растения, образующаяся
«гибридная» рибосома работает нормально при обеих возможных комбинациях
(М. Айтхожин, Г. Виттман).
Если синтез белков протекает при участии нуклеиновых кислот, то сами нук-
леиновые кислоты в свою очередь синтезируются благодаря каталитическому
действию специфических белков-ферментов. В процессе биосинтеза нуклеиновых
кислот нужно различать два этапа:. 1) биосинтез пуриновых и пиримидиновых
нуклеотидов и 2) полимеризация нуклеозиддифосфатов и нуклеозидтрифосфатов
с образованием ДНК и РНК.
Как показали исследования, проведенные в основном на микроорганизмах,
исходным соединением для синтеза пуриновых и пиримидиновых нуклеотидов
является 5-фосфорибозил-1-пирофосфат, образующийся из рибозо-5-фосфата при
его взаимодействии с АТР:
НО—Р—О—СНоЛК Н НО—Р—О—СНохО. н
Ч-АТР
ОН он
Рибозо-5-фосфат
5-Фосфорибозил-1-пирофосфат
В результате ферментативных реакций, в которых кроме 5-фосфорибозил-1-
пирофосфата принимают участие две молекулы глютамина, глицин, два формиль-
ных остатка, СО2 и аспарагиновая кислота, синтезируется инозиновая кислота:
Этот нуклеотид, взаимодействуя затем с аспарагиновой кислотой, превраща-
ется в адениловую кислоту, а при участии АТР и глютамина образует гуанило-
вую кислоту.
Биосинтез пиримидиновых нуклеотидов начинается с взаимодействия карба-
моилфосфата и аспарагиновой кислоты, при котором в результате ряда фермента-
тивных реакций образуется оротовая кислота:
ОН
I
H2N—С—О—Р—ОН
О
II
с
HN 'сн
I II
о=с с—соон
Карбамоилфосфат
Оротовая кислота
Из оротовой кислоты и 5-фосфорибозил-1-пирофосфата образуется уридило-
вая кислота, которая может затем превратиться в уридинтрифосфат и далее в ци-
тидиловую кислоту:
Уридиловая кислота
Что касается полимеризации нуклеозидфосфатов с образованием нуклеино-
вых кислот, то С. Очоа иМ. Грюнберг-Манаго впервые показали, что из некото-
рых бактерий (Azotobacter и др.) и дрожжей могут быть выделены ферменты, ко-
торые в присутствии ионов магния катализируют синтез полинуклеотидов из нук-
леозиддифосфатов:
n(A—R—(р?)) (AR0)n
Нуклеозиддифосфат Полинуклеотид
+ п®
372
В этом уравнении R обозначает рибозу, А — пуриновое или пиримидиновое
основание (аденин, гипоксантин, гуанин, урацил или цитозин), (р) — ос-
таток ортофосфорной кислоты, (рр) — остаток пирофосфорной кислоты.
Фермент, катализирующий эту реакцию, называется полинуклеотидфосфорилаза
(2.7.7.8).
Полинуклеотидфосфорилаза катализирует не только синтез РНК из четырех
встречающихся в природе нуклеозиддифосфатов, но также синтез неприродных
полирибонуклеотидов, состоящих из какого-либо одного, двух или трех различ-
ных нуклеотидов. Так, из аденозиндифосфата фермент синтезирует полиаденило-
вую кислоту, из уридиндифосфата — полиуридиловую и т. д. Из смеси эквимо-
лекулярных количеств аденозиндифосфата, гуанозиндифосфата, уридиндифосфа-
та и цитидиндифосфата образуется синтетическая РНК, которая по своим свойст-
вам, например по соотношению оснований и молекулярной массе, не отличается
от природной РНК, содержащейся в том объекте, из которого был получен фер-
мент. Полинуклеотидфосфорилаза почти не действует без наличия «затравки»
в виде олигорибонуклеотида или полинуклеотида. Физиологическая роль поли-
нуклеотидфосфорилазы неясна — возможно, она участвует в деградации (фосфо-
ролизе) РНК клетки. Вслед за открытием полинуклеотидфосфорилазы у микро-
бов, растений и животных был открыт фермент ДНК-зависимая РНК-полимера-
за (2.7.7.6), катализирующая синтез РНК из рибонуклеозидтрифосфатов.
Катализируемая ею реакция идет в соответствии со следующей схемой:
ДНК, Mg2+, Мп2+
АТР 4- л2 GTP 4* л3 СТР 4- UTP
(АМРп, — GMP^ — СМРЛз — UMPnj 4- 4- ^2 4- 4- п4)п РР
Из приведенного выше уравнения видно, что реакция синтеза РНК идет толь-
ко в присутствии ДНК, которая в данном случае играет роль матрицы. Молекула-
олигомер ДНК-зависимой РНК-полимеразы Е. coll состоит из собственно фермен-
та с молекулярной массой около 400 000, образованного четырьмя полипептидны-
ми цепями (2а, (3 и (3')» и более низкомолекулярного белка, получившего название
сигма (о)-фактора, имеющего молекулярную массу 95 000. Сигма-фактор образует
комплекс с собственно ферментом и затем с молекулой ДНК, после чего начинает-
ся синтез РНК. Сигма-фактор высвобождается и может снова работать с новой
молекулой ДНК-зависимой РНК-полимеразы (рис.
98). На заключительном этапе синтеза РНК участвует
еще один белковый фактор — фактор «оо» (р), имею-
щий молекулярную массу около 200 000.
Благодаря действию ДНК-зависимых РНК-поли-
мераз синтезируются рибосомальные и информацион-
ные РНК. В растениях открыты четыре типа ДНК-за-
висимых РНК-полимераз, различающихся по молеку-
лярной массе. Так, например, фермент, содержащий-
ся в ядрах клеток кукурузы, является олигомером и
состоит из шести полипептидных цепей с молекуляр-
ной массой 180 000, 160 000, 35 000, 25 000, 20 000 и
17 000. ДНК-зависимая РНК-полимераза, содержа-
щаяся в хлоропластах кукурузы, также представляет
собой гексамер с молекулярной массой субъединиц
180 000, 140 000, 100 000, 95 000, 85 000 и 40 000.
ДНК
Е,-ДНК
7/днк
Е^
\>НК
Рис. 98. Цикл работы сиг-
ма-фактора. Е — молекула
собственно ДНК-зависимой
РНК-полимер азы, состоя-
щая из четырех полипеп-
тидных цепей (2а, 0 и £')
Е
373
Наряду с ДНК-зависимыми РНК-полимер азами в последние годы открыт ряд
ферментов, так или иначе участвующих в синтезе различных полирибонуклеоти-
дов. Так, в растениях открыты РНК-зависимые РНК-полимеразы.
Ферментативный синтез показан не только в отношении рибополинуклеоти-
дов, но также и в отношении дезоксирибонуклеиновой кислоты. Так, А. Корнберг
с помощью очищенного фермента, выделенного из кишечной палочки (Escherichia
colt) и названного им ДНК-полимеразой, осуществил синтез дезоксирибонуклеи-
новой кислоты из смеси дезоксинуклсозидтрифосфатов. Однако для осуществле-
ния этого синтеза требуются не только ионы магния, но и небольшое количество
дезоксирибонуклеиновой кислоты, играющей роль затравки. ДНК-полимераза
Корнберга (ДНК-нуклеотидилтрансфераза, 2.7.7.7) синтезирует ДНК только
лишь в том случае, если присутствуют все четыре дезоксинуклеотида и если при-
сутствует ДНК, играющая роль затравки или же матрицы. По мнению Корнбер-
га, ДНК, необходимая для синтеза, играет именно роль матрицы, направляющей
синтез строго определенным образом, соответствующим ее структуре. Реакция
ферментативного синтеза ДНК может быть выражена следующим уравнением:
пТРРР Г тр 1
п ® + ДНК ДНК - I + 4 (га)РР
пдСРРР 1дСР Jn
(обозначения: Т — тимидин; дО — дезоксигуанозин; дА — дезоксиденозин;
дС — дезоксицитидин; Р — остаток фосфорной кислоты, РР — пирофосфат).
ДНК-полимераза Корнберга по всей вероятности не является ферментом,
синтезирующим ДНК в клетке, а осуществляет репарацию молекул ДНК, пов-
режденных ультрафиолетом или другими воздействиями. По-видимому, синтез
ДНК in vivo катализируют ферменты ДНК-полимеразы II и III, отличающиеся
от ДНК-полимеразы Корнберга. ДНК-полимеразы найдены в пшенице, кукуру-
зе и сахарной свекле.
Таким образом, разнообразные экспериментальные данные, накопленные на-
укой за последние годы, указывают на то, что в живой клетке процесс биосинтеза
белка неразрывно связан с процессом биосинтеза нуклеиновых кислот, а этот по-
следний, в свою очередь, неразрывно сопряжен с биосинтезом белка и становлени-
ем его каталитических функций.
БИОХИМИЯ ДИССИМИЛЯЦИИ БЕЛКОВ И АМИНОКИСЛОТ
Мы рассмотрели процессы, происходящие при ассимиляции азотистых соеди-
нений растениями во время синтеза аминокислот и белка. Каковы же пути их
расщепления и переработки, пути их диссимиляции, неразрывно связанной с про-
цессами ассимиляции?
Диссимиляция белка в организме начинается с его гидролитического расщеп-
ления, происходящего под действием протеолитических ферментов и сопровожда-
ющегося образованием пептидов и свободных аминокислот. Подобный процесс
вторичного образования аминокислот происходит весьма энергично при прорас-
тании семян, когда белки, содержащиеся в эндосперме или в семядолях семени,
гидролизуются с образованием свободных аминокислот, которые затем исполь-
зуются на питание развивающегося зародыша и построение тканей молодого рас-
тения.
Протеолитические ферменты, содержащиеся в прорастающих семенах, иссле-
дованы в настоящее время весьма детально. Особенно тщательно изучались про-
теолитические ферменты солода, широко применяемого в ряде отраслей пищевой
промышленности.
Исследования А. Н. Баха и А. И. Опарина показали, что при прорастании
374
зерна происходит резкое увеличение активности протеиназ — за 8 суток она воз-
растает приблизительно в 40 раз.
При изучении протеолитических ферментов проросшего пшеничного зерна
было установлено, что оно содержит протеиназу с оптимумом действия при pH
5,1 и дипептидазу, оптимум которой находится в зоне pH от 7,3 до 7,9.
Протеиназа пшеничного солода, таким образом,по своему отношению к актив-
ной кислотности среды сходна с ферментами типа папаина. Это сходство проявля-
ется также в том, что как папаин, так и протеиназа солода активируются солями
синильной кислоты. Солодовая дипептидаза также активируется цианидами.
Протеиназы, содержащиеся в листьях, сходны по своим свойствам с фермен-
тами типа папаина — их максимальное действие наблюдается при слабокислой
реакции (около pH 5); подобно папаину, они активируются цианидами и сульф-
гидрильными соединениями (цистеином и глютатионом).
Доказательство того, что протеолитические ферменты растения действитель-
но гидролизуют содержащиеся в этих растениях белковые вещества с образовани-
ем свободных аминокислот, может быть получено при исследовании превращений
азотистых веществ в прорастающих семенах или же отделенных от растения и
медленно увядающих листьях (при томлении табачных листьев). Так, например,
в прорастающих семенах вики найдены заметные количества глютаминовой кисло-
ты, лейцина, тирозина, аргинина, лизина, аспарагиновой кислоты и целого ряда
других аминокислот. Точно так же показано, что в листьях и других органах рас-
тений может происходить гидролитическое расщепление белков под действием со-
держащихся в них протеолитических ферментов типа папаина, в результате чего
накапливаются свободные аминокислоты.
Чрезвычайно активные протеолитические ферменты содержатся в дрожжах
и плесневых грибах.
Протеиназа дрожжей, так же как и протеиназы высших растений, сходна с
папаином — она обнаруживает оптимум действия при pH 5,0 и активируется
сероводородом. Дрожжи содержат также аминополипептидазу и дипептидазу с
оптимумом при pH 7,8.
Таким образом, благодаря действию описанных выше протеолитических фер-
ментов у высших растений и микроорганизмов аминокислоты могут образовы-
ваться, так сказать, вторичным путем.
Аминокислоты, синтезированные растением из неорганических азотистых
веществ или же образовавшиеся вторичным путем в результате расщепления бел-
ков протеолитическими ферментами, могут подвергаться целому ряду фермента-
тивных превращений.
Важнейший этап диссимиляции аминокислот — их дезаминирование с об-
разованием свободного аммиака. При этом у высших растений основным путем
дезаминирования является окислительное дезаминирование, при котором амино-
кислота, окисляясь, образует соответствующую кетокислоту и аммиак. Суммар-
ное уравнение процесса окислительного дезаминирования приведено на с. 351.
Однако оно не отражает всех отдельных реакций, происходящих при дезаминиро-
вании. Окислительное дезаминирование является реакцией, обратной восстано-
вительному аминированию кетокислот, рассмотренному нами выше. Поэтому
первый этап окислительного дезаминирования — отнятие двух атомов водорода
от аминокислоты. Если, например, дезаминируется аланин, то реакция идет сле-
дующим образом:
—2Н+
СН3—CHNH2—СООН------> СН3—C(=NH)—СООН
Аланин Иминокислота
Отнятый от аминокислоты водород затем окисляется кислородом воздуха до
воды; поэтому в соответствии с суммарным уравнением окислительного дезамини-
375
рования на каждую молекулу дезаминируемой аминокислоты потребляется один
атом кислорода. Образовавшаяся же иминокислота, гидролизуясь, дает кетокис-
лоту (в данном случае пировиноградную) и аммиак:
СН3—C(=NH)—СООН + Н2О -> СН,—СО—СООН + NH3
Окислительное дезаминирование аминокислот было изучено у высших рас-
тений, бактерий и грибов. Этот процесс имеет большое техническое значение в
ряде бродильных производств, основанных на использовании спиртового броже-
ния. Именно в результате дезаминирования образуется целый ряд побочных про-
дуктов спиртового брожения, оказывающих большое влияние на качество готовой
продукции — спирта, вина, пива. При дезаминировании аминокислот дрожжами
образуются кетокислоты, которые подвергаются в дальнейшем окислительно-вос-
становительным превращениям, в результате которых образуются так называе-
мые сивушные масла — смесь различных одноатомных спиртов, придающих
неприятный запах и привкус этиловому спирту, вину или пиву. Так, например,
при дезаминировании лейцина получается соответствующая кетокислота, которая
далее декарбоксилируется дрожжами с образованием соответствующего альдеги-
да, а этот последний затем восстанавливается в соответствующий спирт — в дан-
ном случае изоамиловый:
Н3СЧ — 2Н+ Н3СЧ +Н2О
>СН—СН2—CHNH2—СООН------->- )СН—СН2—C(=NH)—соон-------►
H3CZ H3cZ
Лейцин
Н,СЧ
-► ' )СН—СН2—СО—СООН + NH,
Н3С/
Н3СЧ декарбоксилаза Н3С\
>СН—СН2—СО—СООН------------->- СО2 + >СН—СН2—СОН
Н3С/ Н3СХ
Нзсч 4-2Н+ Н3СЧ
)СН—СН,—СОН-------► )СН—сн2—СН2ОН
Нзс/ ’ Н3с/
Изоамиловый спирт
Аналогичное превращение валина приводит к образованию изобутилового
спирта, также являющегося составной частью сивушного масла.
Тирозин дает спирт тирозол:
С—СН2—СН NH2—СООН
НС сн
I II
НС сн
С—сн2—СН2ОН
— 2Н++Н2О+2Н+ НС^\н
-------------- I II
НС сн
+ NH3 + СО2
I I
он он
Тирозин Тирозол
Окислительное дезаминирование дикарбоновых аминокислот микроорганиз-
мами и высшими растениями происходит по той же схеме, которая была изложена
выше, т. е. через промежуточное образование иминокислоты. Так, например, глю-
таминовая кислота при дезаминировании дает а-кетоглютаровую кислоту:
- 2Н+ + Н2О
НООС—СН2—СН2—CHNH2—СООН------> НООС—CH2—CH2—C(=NH)—соон-------
Глютаминовая кислота
V НООС—сн2—сн2—со-соон + NH3
а-Кетоглютаровая кислота
376
В случае если дезаминирование происходит под действием дрожжей, то об-
разовавшаяся а-кетоглютаровая кислота подвергается превращениям, аналогич-
ным тем, которые имеют место при образовании сивушных масел. Она декарбокси-
лируется с образованием соответствующего альдегида, который, в свою очередь,
окисляется, образуя янтарную кислоту:
декарбоксилаза
НООС—СН2—СН2—СО—СООН--------------»
-> НООС—СН2—СН2—СОН --------> НООС—сн2—сн2—СООН
Янтарная кислота
По-видимому, источник янтарной кислоты, всегда образующейся в незначи-
тельном количестве при спиртовом брожении, — глютаминовая кислота, претер-
певающая под действием дрожжей указанные превращения. Дрожжи дезамини-
руют и перерабатывают только природные формы аминокислот (L-формы);
«ненатуральные», или D-формы, дрожжи не разлагают. Этим пользуются для по-
лучения в чистом виде «ненатуральных» форм аминокислот, содержащихся в ра-
цемических смесях. Дезаминирование аминокислот в высших растениях происхо-
дит особенно интенсивно в прорастающих семенах и в молодых, растущих тканях,
отличающихся чрезвычайно энергичным обменом веществ. В проростках злаков и
бобовых растений, а также в клубнях картофеля наиболее интенсивно дезамини-
руются глютаминовая и аспарагиновая кислоты.
В цветках тыквы и многих растений из семейства розоцветных также найдены
ферменты, катализирующие дезаминирование аминокислот, причем в этих частях
растений особенно интенсивно разлагается гликокол.
Дезаминирование аминокислот может происходить при участии полифеноло-
ксидазы и полифенолов. Мы можем в этом случае представить дезаминирование
аминокислот в виде следующей схемы:
(П) R—С—СООН + Н2О R-С-СООН + NH3
II и
NH О
Приведенная схема показывает, что дегидрогеназа, отнимая от аминокислоты
водород, передает его хинону, который при этом превращается в полифенол;
полифенол снова окисляется полифенолоксидазой с образованием воды и хинона,
который опять может вступить в реакцию. Образовавшаяся при дегидрировании
иминокислота, взаимодействуя с водой, дает кетокислоту и аммиак. Пример та-
кого полифенола — хлорогеновая кислота (см. с . 294). Ее участие в дезаминиро-
вании аминокислот было показано А. И. Опариным. В его опытах водные экст-
ракты из проростков подсолнечника, содержавшие дегидрогеназу и полифеноло-
ксидазу, с помощью добавленной хлорогеновой кислоты энергично окисляли
гликокол с образованием аммиака.
377
В высших растениях содержатся ферменты, катализирующие дезаминирование фенил-
аланина и тирозина с образованием аммиака и ненасыщенных ароматических кислот. Так,
во многих растениях найден фермент фенилаланин — аммиак-лиаза (4.3.1.5), который
отщепляет аммиак от фенилаланина с образованием транс-изомера коричной кислоты:
Н
СН2—CHNH2—СООН -> /~С=С—СООН + NH3
н
Фенилаланин Коричная кислота
Этот фермент также расщепляет тирозин на аммиак и, транс-изомер n-кумаровой кислоты:
Н
НО—/ СН2—CHNH2—СООННО—/ С=С—СООН + NH3
\=/ I
н
Тирозин гг-Кумаровая кислота
Рассмотренный нами процесс дезаминирования аминокислот является основ-
ным способом превращения азотистых веществ в безазотистые соединения,которые
могут быть затем использованы для дальнейшей переработки в углеводы и жиры.
Какова же судьба аммиака, образующегося при дезаминировании аминокис-
лот? Аммиак в свободном виде обычно содержится в высших растениях в весьма
незначительных количествах. Более высокие концентрации его ядовиты для жи-
вых клеток и тканей, поэтому растение чрезвычайно быстро превращает свобод-
ный аммиак в органические азотистые соединения. Если в данной ткани растения
имеется достаточный запас углеводов, то аммиак, вступая в реакцию прямого
аминирования с образующимися из углеводов кетокислотами, дает аминокислоты,
которые затем используются на синтез белка.
В целом ряде растений, ткани которых отличаются высоким содержанием
органических кислот — яблочной, щавелевой, изолимонной и др., образующий-
ся при дезаминировании аммиак может также связываться этими органическими
кислотами в виде аммонийных солей (В. Рулянд). К числу подобных «кислых»
или «аммонийных» растений принадлежат, например, бегония, щавель и ревень.
Димитрий Николаевич Прянишников
(1865—1948)
Вследствие накопления в их тканях значи-
тельных количеств органических кислот кле-
точный сок этих растений имеет значение pH
около 1,2—1,5; при избыточном питании ам-
миачными солями или органическими азотис-
тыми соединениями, быстро разлагающимися
в растениях с образованием свободного ам-
миака, подобные «кислые» растения могут на-
капливать в своих тканях чрезвычайно боль-
шие количества аммиака в виде солей орга-
нических кислот.
Обезвреживание аммиака путем связыва-
ния его органическими кислотами имеет мес-
то лишь у довольно незначительного количе-
ства растений, принадлежащих к упомянутой
выше группе «кислых». У большинства же
высших растений обезвреживание аммиака,
образующегося при дезаминировании амино-
кислот, происходит путем образования ами-
дов — аспарагина и глютамина. Физиологи-
ческая роль этих амидов в растениях была
378
выяснена благодаря классическим исследованиям Ж. Б. Буссенго, Э. Шульце и
Д. Н. Прянишникова.
Аспарагин и глютамин содержатся в различных органах и тканях высших
растений: корнях, стеблях, листьях и плодах. Содержание аспарагина и глюта-
мина может сильно колебаться в зависимости от условий развития и питания рас-
тений. При недостатке углеводов или же при избыточном питании азотистыми сое-
динениями, особенно аммонийными солями, высшие растения могут накапливать
чрезвычайно большие количества аспарагина и глютамина. При прорастании в
темноте семян бобовых растений, содержащих сравнительно небольшой запас уг-
леводов и очень большое количество белков, аммиак, образующийся в результате
гидролитического расщепления белка и последующего дезаминирования амино-
кислот, обезвреживается в виде значительных количеств аспарагина. Так, напри-
мер, прорастающий в темноте (этиолированный) люпин может накапливать до 11 %
аспарагина от сухой массы проростков. Если подобные этиолированные пророст-
ки выставить затем на свет, благодаря чему начинается процесс фотосинтеза и
образования углеводов, то накопившийся аспарагин начнет интенсивно перераба-
тываться и использоваться для синтеза белков в молодых тканях ростка.
В этиолированных проростках других растений, таких, как, например, под-
солнечник или тыква, накапливаются одновременно как аспарагин, так и глюта-
мин. Некоторые же растения обезвреживают избыточный аммиак, образующийся
при энергичном дезаминировании аминокислот или же при избыточном питании
аммонийными солями, путем преобразования его главным образом в глютамин.
К числу подобных растений относится, например, сахарная свекла, корни кото-
рой используются в лабораториях для получения чистых препаратов глютамина.
Обычно сахарная свекла содержит незначительные количества глютамина. При
усиленном же удобрении аммонийными солями, например сернокислым аммонием,
корень сахарной свеклы может накапливать до 5,6% глютамина от сухой массы.
А. Чибнелл показал, что иногда при избыточном питании аммонийными со-
лями образующийся в значительном количестве глютамин выделяется растением
наружу с капельками воды, появляющимися при гуттации на кончиках листьев;
после испарения воды глютамин образует кристаллики, видимые невооруженным
глазом. Это наблюдается, например, при усиленном удобрении молодых растений
райграсса (кормовой злак) сернокислым аммонием.
Хотя растения и накапливают по преимуществу аспарагин или глютамин, их
нельзя разделять на «аспарагиновые» или «глютаминовые». Во всех растениях со-
держатся оба амида, но преобладает обычно один из них.
Вместе с тем необходимо отметить, что содержание аспарагина и глютамина
различно в разных органах растения. Так, например, в корневищах такого клас-
сического «аспарагинового» растения, как спаржа, из которой аспарагин впервые
был выделен, азот аспарагина составляет 17,1 % и азот глютамина — 9,8% от
общего азота: в зеленых же частях спаржи найдено 1,7% глютаминового и 1,1 %
аспарагинового азота. Необходимо также отметить, что содержание аспарагина и
глютамина изменяется в процессе развития растения.
Д. Л. Фердман с сотрудниками показал, что глютамин содержится в заметных
количествах в различных тканях животного организма; В. А. Каплан и С. Р. Мар-
дашевым установлено также наличие значительных количеств аспарагина в ли-
чинках насекомых и в организме человека.
Отмеченная нами выше роль аспарагина и глютамина как веществ, в виде ко-
торых обезвреживается аммиак, лишь одна сторона физиологической роли этих
амидов в организме. Не менее важную роль играют аспарагин и глютамин в ка-
честве резерва дикарбоновых аминокислот, необходимых для осуществления реак-
ции ферментативного переаминирования. Эта реакция имеет существенное значе-
ние для синтеза и взаимного превращения аминокислот в растительном организме.
В реакции ферментативного переаминирования могут принимать участие не толь-
379
ко свободные аспарагиновая и глютаминовая кислоты, но также непосредственно
аспарагин и глютамин.
Третья сторона физиологической роли аспарагина и глютамина в организме
заключается в том, что образование этих амидов предохраняет от окисления ди-
карбоновые аминокислоты. Среди всех аминокислот особенно быстро подверга-
ются окислительному дезаминированию аспарагиновая и глютаминовая кислоты.
Введение в молекулы этих аминокислот амидной группировки предохраняет их
от окисления растительными тканями. Таким образом, амидная группа аспараги-
на и глютамина является как бы замком, предохраняющим аспарагиновую и глю-
таминовую кислоту от окислительного распада.
Каким же путем образуются в растениях из аммиака аспарагин и глютамин и
каковы ферментные системы, катализирующие образование и распад этих
амидов?
Имеющиеся в настоящее время в нашем распоряжении экспериментальные
данные указывают на то, что амиды синтезируются из соответствующих аминокис-
лот — аспарагиновой или глютаминовой. Таким образом, первый этап синтеза
амидов заключается в образовании дикарбоновых аминокислот. Эти последние
могут образоваться различными путями (см. выше) — при гидролитическом рас-
паде белков, в результате прямого аминирования а-кетоглютаровой кислоты и в
результате реакций ферментативного переаминирования, а аспарагиновая кисло-
та может образоваться под действием фермента аспартат — аммиак-лиа-
зы, при взаимодействии аммиака и фумаровой кислоты (с. 146).
Современные схемы превращений азотистых веществ в растениях предпола-
гают, что следующий этап синтеза амидов заключается в амидировании аспараги-
новой или глютаминовой кислоты под действием соответствующих ферментов.
Д. Вебстером показано, что синтез глютамина идет при участии аденозинтрифос-
форной кислоты, дающей энергию, необходимую для осуществления данной син-
тетической реакции. Первая стадия синтеза глютамина заключается во взаимодей-
ствии фермента глютаминсинтетазы с АТФ по схеме
АТР + фермент фермент — фосфат 4- ADP
Далее комплекс фермент — фосфат активирует глютаминовую кислоту, в
результате чего остаток фосфорной кислоты, содержащий высокоэнергетическую
связь, присоединяется к карбоксильной группе глютаминовой кислоты:
Фермент-фосфат + НООС—СН2—СН2—CHNH2—СООН .
=г== (р)~ООС—СН2— СН2—CHNH2— СООН + фермент
Следующая стадия синтеза глютамина заключается в замещении аммиаком
остатка фосфорной кислоты и образовании таким образом амидной группы:
(р)~ООС—СН2—СН2—CHNH2—СООН +NH3
h2noc—сн2—сн2— chnh2—СООН +Н3РО4
Энергия, необходимая для осуществления этой последней стадии биосинтеза
глютамина, черпается из высокоэнергетической связи фосфатного остатка.
Все изложенные выше данные о превращениях дикарбоновых аминокислот и
их амидов указывают на весьма существенную роль этих веществ в азотистом об-
мене. Эта мысль подтверждается также данными, характеризующими содержание
дикарбоновых аминокислот в растительных белках, и результатами опытов с ме-
ченым азотом.
380
Данные анализов аминокислотного состава растительных белков указывают
на чрезвычайно высокое содержание в них аспарагиновой и глютаминовой кислот.
Так, например, в эдестине конопли, зеине кукурузы и глиадине пшеницы содер-
жание дикарбоновых аминокислот составляет от 32,7 до 46,1 %, причем большая
их часть содержится в виде амидов; в эдестине около 65% дйкарбоновых амино-
кислот присутствует в виде амидов.
Таким образом, уже эти данные указывают на то, что при прорастании ди-
карбоновые аминокислоты должны играть весьма существенную роль в обмене
веществ.
Особенно интересны в этом отношении данные Р. Шёнгеймера, Г. Виккери
и др., полученные при изучении поглощения и распределения в тканях меченого
азота, дававшегося растениям в виде сернокислого аммония, содержащего изо-
топный азот — (15NH4)2SO4. Подобные опыты, проводившиеся с табаком,
подсолнечником, гречихой и томатами, показали, что в белках, полученных из
растений, ассимилировавших меченый азот, концентрация последнего была наи-
более высокой в глютаминовой и аспарагиновой кислоте; все другие аминокисло-
ты содержали значительно меньшее количество изотопного азота. Эти данные яс-
но свидетельствуют о том, что аспарагиновая и глютаминовая кислоты особенно
быстро синтезируются и претерпевают дальнейшие превращения в организме.
Дикарбоновые аминокислоты быстро окисляются в растениях. При этом нужно
отметить, что глютаминовая кислота, которая при питании растений аммонийны-
ми солями, содержащими меченый азот, наиболее им богата, также значительно
быстрее вступает в реакцию переаминирования и значительно быстрее дезамини-
руется, чем аспарагиновая кислота.
Помимо рассмотренных выше сторон физиологической роли дйкарбоновых
аминокислот и их амидов в растительных организмах необходимо указать на спе-
цифическую роль, которую играет глютамин в обмене веществ у некоторых микро-
бов. Установлено, что для таких микроорганизмов, как болезнетворный гемолити-
ческий стрептококк, и в меньшей степени для молочнокислых бактерий Strepto-
coccus lactis и Lactobaccillus arabinosus глютамин необходим для нормального роста
и развития. Таким образом, для этих микроорганизмов глютамин является вита-
миноподобным веществом, по-видимому, необходимым для синтеза каких-то фер-
ментных систем. Аспарагин не может заменить в этом отношении глютамина.
Аспарагин и глютамин найдены не только в растениях, но также и в организ-
ме животных. Таким образом было установлено сходство обмена амидов у расте-
ний и животных. Это сходство сделалось еще более очевидным после того, как бы-
ло установлено наличие мочевины в ряде растительных организмов и выявлена су-
щественная роль ее в обмене веществ. Таким образом, было показано, что обез-
вреживание образующегося при дезаминировании аминокислот аммиака в виде
мочевины свойственно не только животным, но также и различным представите-
лям растительного мира.
Особенно большие количества мочевины могут накапливаться в некоторых
грибах. Например, содержание мочевины в шампиньонах может достигать 13,2%,
а в грибах дождевиках (Lycoperdori) — 10,7% от сухой массы (Н. Н. Иванов).
Среди высших растений заметным содержанием мочевины отличаются те, которые
имеют на корнях микоризу. Мочевина найдена также у некоторых бактерий,
как, например, у живущей в почве аммонифицирующей бактерии Bacillus mycoi-
des и у картофельной палочки Bacillus mesentericus, вызывающей картофельную
болезнь хлеба.
Исследования Н. Н. Иванова показали, что мочевина в растениях играет
роль, аналогичную аспарагину и глютамину. Она, следовательно, служит вещест-
вом, в виде которого обезвреживается аммиак, образующийся при диссимиляции
белков и аминокислот, и вместе с тем является источником азота, который исполь-
зуется для построения белков в случае, если в растении появляется достаточное
381
количество углеводов. Использование мочевины для синтетических целей осущест-
вляется в растениях благодаря наличию в них чрезвычайно активной уреазы,
гидролизующей мочевину с образованием аммиака и угольной кислоты.
Каким же образом образуется мочевина в растительных организмах?
Н. Н. Иванов указал, что она может образовываться из аммиака, появляющегося
при диссимиляции белков и дезаминировании аминокислот, или же при избыточ-
ном питании растений аммонийными солями. Этот процесс наблюдается при куль-
тивировании грибов на растворах аммонийных солей. Синтез мочевины в этих
условиях возможен только лишь при доступе воздуха.
Образование аспарагина и глютамина в растениях только лишь в аэробных
условиях указывает на сходство физиологической роли аспарагина и глютамина,
с одной стороны, и мочевины, с другой. Это сходство становится еще более очевид-
ным из того факта, что мочевина, образующаяся в грибах при недостатке углево-
дов, исчезает при подкормке гриба этими последними, например глюкозой или
маннитом.
Легкость, с которой мочевина образуется в растительных организмах из ар-
гинина, указывает на то, что в растениях, так же как и в животном организме,
образование мочевины идет через так называемый орнитиновый цикл Кребса —
Хензеляйта. Согласно этому представлению орнитин, присоединяя аммиак и уг-
лекислый газ, дает цитруллин, последний далее образует аргинин, который под
действием аргиназы расщепляется на мочевину и орнитин. Образовавшийся в ре-
зультате действия аргиназы орнитин может снова быть вовлечен в указанную вы-
ше цепь реакций. Эта цепь ферментативных реакций теснейшим образом связана
с другими ферментативными превращениями белка и аминокислот в организме.
Схема орнитинового цикла такова:
Цитруллин
Схема орнитинового цикла
Синтез цитруллина из орнитина, аммиака и углекислого газа осуществляется в ре-
зультате ряда ферментативных реакций. Первая из них — образование карбаминовой кис-
лоты:
но—с—он + NH3 -> НО—С—NH2 + Н2О
J! “
о о
382
В синтезе карбаминовой кислоты у бактерий принимает участие глютаминовая кислота
в виде своего N-ацетильного производного, у грибов — глютамин, а у высших растений так-
же аспарагин. Карбаминовая кислота затем фосфорилируется под действием аденозинтри-
фосфата, причем образуется высокоэнергетическое соединение — карбамоилфосфат:
H2N—С —ОН +АТР H2N—С—О~(р) + ADP
II II
о о
Карбаминовая Карбамоилфосфат
кислота
Далее под действием фермента орнитин-карбамоилтрансферазы (2.1.3.3) карбамоил-
фосфат реагирует с орнитином, в результате чего образуются цитруллин и свободная фос-
форная кислота:
NH2
Карбамоилфосфат СОО~(р)
nh2
(СН2)3
CHNH2
СООН
СО
I
NH
I
(СН2)3 +НО—(р)
chnh2
СООН
Цитруллин
Орнитин
Следующий этап орнитинового цикла — образование аргинина из цитруллина —
также слагается из нескольких этапов. Первый из них — взаимодействие цитруллина с
аспарагиновой кислотой при участии АТР и ионов магния. В результате выделяется вода
и образуется аргининянтарная кислота. Эта последняя далее распадается с образованием
аргинина и фумаровой кислоты: -
nh2 NH2 СООН nh2
io СООН C=N—СН | | C=NH соон
NH 1 АТР; Mg2+; — Н2О NH СН2 NH 1
1 + h2nch ” (iH2)3 1 + сн
(СН2)3 сн2 + Н2о (<уНг)з Соон II сн
chnh2 1 СООН chnh2 1 chnh2 1 iooH
СООН соон соон
Цитруллин Аспарагиновая кислота Аргининянтарная кислота Аргинин Фумаровая кислота
Образование мочевины путем реакций орнитинового цикла доказано для
бактерий, грибов и высших растений.
В некоторых растениях — у ольхи, березы, орешника, у некоторых расте-
ний из семейства бурачниковых, накапливаются значительные количества ци-
труллина, который, по-видимому, играет у них роль важнейшего соединения,
в виде которого связывается и обезвреживается избыток поступающего в ткани
аммиака. В других растениях, например в хохлатках (Corydalis), содержатся за-
метные количества ацетильного производного орнитина — N-ацетилорнитина.
Таким образом, разные растения могут значительно различаться по характеру
продуктов азотистого обмена, накапливающихся в их тканях.
Одним из источников образования мочевины в растениях могут быть процес-
сы, происходящие при диссимиляции нуклеопротеидов. При этом вещества, из
383
которых непосредственно образуется мочевина — аллантоинсвая кислста и
аллантоин, представляют собой конечные продукты диссимиляции нуклеиновых
кислот, точнее, входящих в их состав пуриновых оснований. Выше указывалось,
что конечным продуктом окислительного превращения гипоксантина и ксантина
является мочевая кислота, которая превращается в аллантоин (с. 111). В лабора-
тории К. Мотеса показано широкое распространение аллантоина в растениях.
Особенно значительные количества этого соединения найдены в проростках сои,
в молодых побегах платана и клена, а также в коре каштана. Аллантоин — основ-
ное азотистое соединение, содержащееся в пасоке клена. Под действием фермента
аллантоиназы (3.5.2.5), чрезвычайно широко распространенного в растительном
мире, аллантоин превращается в аллантоиновую кислоту:
NH—СН—NH
II аллантоиназа H2N—СО—NH4
СО------------->- >СН—СООН
| + Н2О H2N—СО—NHZ
NH2 СО—NH
Аллантоин Аллантоиновая кислота
Особенно активная аллантоиназа содержится в семенах сои, откуда ее полу-
чают в виде препаратов, используемых для количественного определения аллан-
тоина. Аллантоиновая кислота найдена у некоторых растений, как, например, в
созревающих бобах фасоли и в проростках сои. Аллантоиновая кислота далее раз-
лагается под действием фермента аллантоиназы (3.5.3.4), причем образуются мо-
чевина и глиоксилевая кислота:
NH2—СО—NH\ аллантоиказа /NH2 СН=О
/СН—СООН--------------> 2 О=С< Ч- I
NH2—СО—NH/ + Н2О \NH2 СООН
Аллантоиновая кислота Мочевина Глиоксилевая
кислота
Аллантоиказа найдена в прорастающих семенах сои и в плесневых грибах.
Таким образом, эти данные свидетельствуют о том, что мочевина может обра-
зовываться в растительных организмах в результате ферментативных превраще-
ний, происходящих при диссимиляции нуклеопротеидов и входящих в их состав
пуриновых оснований. Последовательность идущих при этом превращений и
участие в них отдельных ферментных систем могут быть представлены следующей
схемой:
протеазы нуклеазы нуклеотидазы
Нуклеопротеиды---------> нуклеиновые кислоты-------> нуклеотиды------------►
нуклеозидазы ксантиноксидаза
нуклеозиды ----------► пуриновые основания --------------
(гипоксантин и ксантин)
уратоксидаза аллантоиназа
-> мочевая кислота-----------> аллантоин----------->
аллантоиказа
-> аллантоиновая кислота----------> мочевина
Таким образом, мы рассмотрели различные пути образования в растительном
организме амидов — аспарагина, глютамина и мочевины, образующихся при дис-
симиляции белков и аминокислот.
Второй весьма важный процесс, происходящий при диссимиляции амино-
кислот, — их декарбоксилирование. Выше уже отмечались основные свойства де-
карбоксилаз аминокислот (с. 145) и то, что процесс декарбоксилирования амино-
кислот, сопровождающийся образованием углекислого газа и различных физио-
логически весьма активных аминов, играет большую роль при гниении белков.
384
Гнилостный распад белков под влиянием микроорганизмов приводит к образова-
нию таких аминов, как образующийся из лизина кадаверин и из орнитина путрес-
цин (см. с. 146). Из триптофана при этом образуется индолэтиламин (триптамин),
который содержится во многих растениях и грибах. При дальнейших превращени-
ях триптамин дает ряд производных, в том числе индол и скатол — вещества, от
которых в значительной степени зависит запах гниющего белка. Превращения
триптофана с образованием индола и скатола представлены ниже:
СН NH2
нс/ с—сн2—сн—соон
I И II
НС с сн
/зн \н
Триптофан
декарбокси- I
лирование |
СН NH2 восстановление
HCZ С—С—СН2—СН2 +2Н+ "*
I II II
НС с сн
'Ч/Х/
СН NH + СОа
Триптамин
сн
ch3nh2 + НС
Метиламин L
НС
с—С—СН3
с сн
СН NH
Скатол
I
сн
НС
НС
с сн
СН NH
Индол
Продукты, образующиеся при декарбоксилировании аминокислот, могут
быть не только отбросами, возникающими в результате гниения белков, но также
соединениями, принимающими участие в обмене веществ. Они могут принимать
в нем участие либо в качестве промежуточных продуктов при синтезе аминокислот
и других азотистых соединений, либо в качестве стимуляторов роста некоторых
микробов.
Так, например, индол, образующийся при декарбоксилировании и дальней-
шем превращении триптофана, может снова вовлекаться в синтетические реакции
и являться исходным продуктом для синтеза триптофана:
СН СН
х -Н2О ,
с—сн 4- сн2он—chnh2—соон------> НС
с сн Серин
С—С—СН2—CHNH2—соон
II II
с сн
НС
НС
СН NH
Индол
НС
Х/\/
СН NH
Триптофан
13—596
385
Синтез триптофана из индола и серина катализируется ферментом триптофан-
синтазой (4.2.1.20), содержащейся в плесневых грибах, бактериях и в высших рас-
тениях.
Декарбоксилирование аминокислот может идти также с образованием угле-
кислого газа и новой аминокислоты, которая используется в качестве строитель-
ного материала при синтезе белка, например, при декарбоксилировании аспараги-
новой кислоты некоторыми бактериями, когда наряду с углекислым газом об-
разуется а-аланин (С. Р. Мардашев):
Г I
НООС—СН—снг—|соо |н -> СО2 + НООС—сн—сн3
NH2 nh2
Аспарагиновая кислота а-Аланин
Клубеньковые бактерии, а также Azotobacter, некоторые молочнокислые ми-
кробы и растения весьма интенсивно декарбоксилируют глютаминовую кислоту с
образованием СОг и у-аминомасляной кислоты:
НООС—CHNH2—CH2—CH2—СООН СО2 + CH2NH2—СН2—СН2—СООН
Таким образом, в результате действия этого фермента так же, как и при де-
карбоксилировании аспарагиновой кислоты, образуется новая аминокислота.
Примером декарбоксилирования аминокислоты, сопровождающегося обра-
зованием стимулятора роста, является разложение той же аспарагиновой кислоты
на углекислый газ и р-аланин, в ничтожных количествах чрезвычайно стимулиру-
ющий рост дрожжей. Эта реакция идет следующим образом:
НООС—CH2—CHNH2—СООН со, + НООС—сн2—ch2nh2
Аспарагиновая кислота (5-Алапин
Подобного рода декарбоксилирование аспарагиновой кислоты — так ска-
зать, с другого ее конца — осуществляется клубеньковыми бактериями.
Декарбоксилирование аминокислот играет, по-видимому, важную роль в
обмене веществ у грибов и высших растений. Амины, образующиеся в результате
декарбоксилирования, найдены во многих растениях. Так, например, путресцин
и кадаверин найдены в рожках спорыньи, боровиках, мухоморах, белене, белла-
донне и дурмане; в этиолированных проростках сои найден кадаверин, в спорынье
и побегах омелы —тирамин, в спорынье, дрожжевом экстракте, в томатах
и шпинате — гистамин.
СНЗЧ
Во многих цветах содержится изоамиламин >СН—СН2—CH2NH2 , образу-
СН3/
СН3х
ющийся при декарбоксилировании лейцина, и изобутиламин ;СН—CH2NH2,
СН3/
получающийся в результате декарбоксилирования валина.
Все эти факты указывают на то, что в растениях существуют весьма активные
декарбоксилазы аминокислот. Однако экспериментальные данные об этих фер-
ментах высших растений скудны.
При культивировании растений в стерильных условиях на средах, содержав-
ших гистидин и диоксифенилаланин, было установлено образование в тканях
растений соответствующих аминов — гистамина и окситирамина. Таким образом
были получены косвенные доказательства наличия в растениях декарбоксилаз
аминокислот.
Хорошо изученным ферментом этой группы, найденным в высших растениях,
является декарбоксилаза глютаминовой кислоты (глютаматдекарбоксилаза)
386
(4.1.1.15). По-видимому, этот же фермент катализирует также декарбоксилирова-
ние у-метиленглютаминовой кислоты.
Особенно активна глютаматдекарбоксилаза в тыкве, откуда ее можно полу-
чать в виде препарата, используемого при количественном определении глютами-
новой кислоты. Детальное исследование свойств глютаматдекарбоксилазы выс-
ших растений показало, что ее кофермент, так же как и в декарбоксилазах амино-
кислот у бактерий, представляет собой пиридоксальфосфат.
Таким образом, такой важный этап диссимиляции аминокислот, как их де-
карбоксилирование, осуществляется в растительном организме при обязательном
участии производного витамина В6 в составе коферментов соответствующих фер-
ментов.
Амины, образующиеся при декарбоксилировании аминокислот, могут снова
вовлекаться в обмен веществ и использоваться в качестве строительного материа-
ла при синтезах различных азотистых соединений.
Особенно легко эти амины используются растением для синтеза алкалоидов.
Так, например, К- Шёпфом установлено, что при условиях, весьма близких к
условиям, имеющим место в тканях растений (например, при 20—25°С и pH от 4
до 7), в водном растворе янтарного диальдегида, метиламина и ацетондикарбоно-
вой кислоты очень легко синтезируется тропинон, который при восстановлении
дает тропин — вещество, являющееся основой строения атропина, принадлежа-
щего к группе пирролидиновых алкалоидов:
Ацетондикарбоновая кислота
НООС СО соон
1-2
HNH
Метиламин |
сн3
— Н9О
—2СО2
ОСН НСО
сн2—сн2
Янтарный диальдегид
О н ОН
С
С'
н2с сн2 Н2С сн2
/ \ 4- 2Н+ / \
-> НС----N----СН------->- НС---N----СН
сн2—сн2 сн2-сн2
Тропинон Тропин
При таких же точно условиях, весьма близких к условиям, имеющимся в организме
растения, взаимодействие глютарового ди альдегида, метиламина и двух молекул бензоил-
уксусной кислоты приводит к синтезу лобеланина, принадлежащего к группе пиридиновых
алкалоидов.
По-видимому, из аминов, подобных путресцину и кадаверину, могут также образовы-
ваться алкалоиды путем выделения/аммиака и образования при этом соответствующего азо-
тистого гетероцикла. Так, например, можно представить себе образование пирролидинового
цикла при дезаминировании путресцина:
Н2С---------СН2
Н2С—сн2
Н2С
СН2 -> NHS + Н2С СН2
nh2
NH2
Путресцин
NH
Пирролидин
13*
387
Точно так же при дезаминировании кадаверина образуется пиперидиновый цикл:
СН2
н2с^\н2
Н2С сн2
I I
h2n nh2
-> NH3 +
Кадаверин
СН2
h2cZ\h2
I I
н2с сн2
\н
Пиперидин
Амины, образующиеся при декарбоксилировании аминокислот, могут также
подвергаться дальнейшему окислению, отщепляя при этом аммиак и образуя
соответствующий альдегид. Так, например, в растениях найдена моноаминокси-
даза, окисляющая амины до альдегидов; этот фермент наиболее энергично окисля-
ет монобутиламин, слабее тирамин и очень слабо триптамин. Точно так же в ряде
растений найдена диаминоксидаза, окисляющая кадаверин и путресцин с образо-
ванием альдегидов и аммиака. По-видимому, окисление путресцина может идти
двумя путями:
NH2 nh2
1) СН2—СН2—СН2—СН2 4- О2 -> 2NH3 + НОС—СН2—СН2—СОН
Путресцин Янтарный диальдегид
nh2 nh2
2) СН2—СН2—СН2—СН2 + у- О2 NH3 + HOC—СН2—СН2—CH2NH2
Путресцин Аминомасляный альдегид
Янтарный диальдегид и аминомасляный альдегид могут снова вступать во
взаимодействие с другими аминами и карбонильными соединениями, образуя
алкалоиды, как это, например, показано в схеме, приведенной на с. 387, иллюст-
рирующей образование тропинона и тропина.
Участие аминоксидазы в синтезе пирролидиновых и пиперидиновых алкалои-
дов показано с помощью препарата аминоксидазы, выделенного из семядолей
прорастающего гороха. При действии этого фермента на путресцин и кадаверин в
присутствии ацетоуксусной кислоты происходит конденсация этой последней с
продуктами окисления аминов и образование соответствующих алкалоидов. Из
путресцина при этом образуется пирролидиновый алкалоид — норгигрин, а из
кадаверина — пиперидиновый алкалоид изопеллетьерин. Вероятная схема син-
теза норгигрина такова:
Н2С—СН2
н4 сн2
h2n 1ш2
Путресцин
— 2Н+
Н2С—СН2 1 Н2С—СН2
II + о °2 II
Н2С СН .....~ Н2С СН + NHS
I II _L 2Н+ । II
H2N NH + н H2N О
4 Аминомасляный
* альдегид
Н2С—сн2
I I
Н2С сн
W
N
Н2С-СН2
I I
н2с сн + ноос—сн2--ео—сн3
Ацетоуксусная кислота
Н2С—СН2
Н2С СН—СН2—СО—СН3 -|- со2
Норгигрин
388
Таким образом, приведенные выше данные об участии аминов, образующихся
при декарбоксилировании аминокислот, а также продуктов окисления этих ами-
нов в биосинтезе алкалоидов, ясно свидетельствуют о чрезвычайно тесной связи
между обменом белков и аминокислот, с одной стороны, и образованием алкалои-
дов в растении, с другой (см. ниже с. 399).
Один из путей дальнейшего превращения аминов в растениях — их метили-
рование. Процесс осуществляется благодаря каталитическому действию фермен-
тов, рассмотренных нами ранее (с. 124), получивших название метилтрансфераз.
Пример подобного метилирования амина — образование содержащегося в яч-
менном солоде протоалкалоида горденина. Он образуется при метилировании ти-
рамина, получающегося в результате декарбоксилирования тирозина:
ОН
J:
нс сн
I и
нс сн
'Ч/
С—СН2—CHNH2—соон
Тирозин
он
<!
нс^^сн
I II
НС сн
^с—сн2—ch2nh2
Тирамин
ОН
I
с
s\
НС сн
I II
НС сн
/снз
с—сн2—сн2-\т^
СНз
Горденин
Аналогичным образом, также при участии метилтрансфераз, происходит об-
разование никотина в табаке.
Опыты, проведенные с помощью изотопной методики, показали, что источник
метильных групп, необходимых для синтеза горденина и никотина, — S-адено-
зилметионин:
S-аденозилметионин
Холин, который играет важную роль в обмене веществ, также образуется при
реакции ферментативного метилирования аминоэтилового спирта (коламина); по-
/389
следний широко распространен в растительных организмах как составная часть
некоторых фосфатидов (кефалинов). Он встречается также в свободном виде (на-
пример, в прорастающей пшенице^. Коламин, по-видимому, образуется при декар-
боксилировании серина. Таким образом, взаимные превращения серина, коламина
и холина мы можем представить себе в виде следующей схемы:
—СО2 3 S-аденозилметионин
НОСН2—CHNH2—СООН--------> НОСН2—CH2NH2 +----------------->
Серин Коламин
(СН3).— N—СН2-СНаОН
I
ОН
Холин
Холин может также образовываться в растениях при гидролитическом рас-
щеплении лецитинов, в состав которых он входит. На это указывают наблюдения,
сделанные при исследовании прорастающих семян, — содержание в них леци-
тина понижается, а содержание холина соответственно увеличивается. Холин най-
ден во всех растительных организмах, в том числе в злаках, семенах бобовых
растений, хмеле, солоде, винограде: особенно велико его содержание в сахарной
свекле, в свекольном соке и в мелассе. Холин является одной из составных час-
тей того комплекса веществ сахарной свеклы, которые мешают кристаллизации
сахара и которые поэтому объединяют под названием «вредный азот». Мы уже
указывали ранее, что холин играет важную роль в обмене веществ как составная
часть фосфатидов, как источник метильных групп при реакции ферментативного
метилирования (с. 124), наконец, как вещество, играющее в животном организме
роль витамина.
Метилироваться могут не только амины, являющиеся продуктами диссимиля-
ции аминокислот, но и сами аминокислоты. Образующиеся при этом соединения
называют бетаинами. Типичный представитель этой группы азотистых соединений
— гликоколбетаин, впервые выделенный из сахарной свеклы {Beta vulgaris) и
отсюда получивший свое название. Он образуется путем метилирования азота в
гликоколе; при этом азот из трехвалентного превращается в четырехвалентный
ион азота:
ЗСН3ОН — Н2О
H2NCH2—СООН-------> (CH2)3N-CH2-COOH + 2Н2О------> (CH3)3N+—СН2—СОО-
Гликокол I тт Бетаин
Бетаин найден в очень большом числе растений: в пшенице, ячмене, пше-
ничных зародышах, солоде, вике, листьях табака, в семенах подсолнечника.
Особенно большое количество бетаина содержится в сахарной свекле; так, напри-
мер, в корнях сахарной свеклы может содержаться 0,6% бетаина, а в старых листь-
ях — до 3% в пересчете на сухое вещество. Бетаин, так же как и холин, аспара-
гин и глютамин, относится к веществам, затрудняющим кристаллизацию сахара
(«вредный азот»). Из бетаина может образовываться триметиламин
Н,,С\
H.C-N,
н3с/
содержащийся в гниющих пищевых продуктах и придающий «селедочный» запах
головне и пораженному головней зерну.
390
Вторым примером бетаина может служить стахидрин — вещество, образую-
щееся при метилировании азота в пролине:
Н2С—СН2 Н2С—СН2
| | 2 S-аденозил- | |
Н2С СН—СООН-------------> Н2С CH-COO"
\ / метионин \+/
NH N—СН3
Пролин НзС^
Стахидрин
Стахидрин найден во многих растениях, в том числе в листьях лимонных и
апельсинных деревьев.
Выше неоднократно было указано, что белковый и аминокислотный обмен
теснейшим образом связан с обменом витаминов, поскольку некоторые из них или
их производные являются составной частью простетических групп ферментов,
катализирующих превращения аминокислот. Таковы аминотрансферазы и де-
карбоксилазы аминокислот, коферменты которых содержат пиридоксальфосфат;
таковы никотиновая кислота и амид никотиновой кислоты, входящие в состав ко-
ферментов пиридиновых дегидрогеназ, участвующих в синтезе аминокислот при
восстановительном аминировании кетокислот аммиаком. Однако тесная связь
между обменом аминокислот и витаминов проявляется также в том, что некоторые
витамины могут образовываться из аминокислот. Так, никотиновая кислота мо-
жет образоваться в результате превращений триптофана.
При изучении условий возникновения пеллагры — авитаминоза, обуслов-
ленного отсутствием в пище никотиновой кислоты, установлена тесная связь
между обменом последней в животном организме и обменом триптофана. Оказа-
лось, что никотиновая кислота, предохраняющая и излечивающая животное от
заболевания пеллагрой, может быть заменена триптофаном. Отсюда было сде-
лано заключение о том, что никотиновая кислота образуется из триптофана. Пре-
вращение триптофана в никотиновую кислоту происходит через стадии окситрип-
тофана, формилкинуренина (продукта, образующегося в результате разрыва азо-
тистого кольца в молекуле триптофана) и оксиантраниловой кислоты:
СН NH2
НС^^С—С—сн2—СН—СООН
I II II
НС с сн
\/\Z
СН NH
Триптофан
сн nh2
нс^ ''Ь—с—сн2—сн—соон
I II II
НС С С-ОН
^CH^NH
а-Окситриптофан
сн nh2
Z \ I
НС с—со—сн2—сн—соон
I II
НС С—NHCHO
сн
сн
СН
НС с—соон
I II
нс с—nh2
с
НС с—соон
I II
НС сн
N
формилкинуренин
Оксиантраниловая
кислота
Никотиновая
кислота
Подобного рода ферментативные превращения триптофана доказаны для живот-
ных и для грибов.
Что.касается высших растений, то у них (так же, как и у некоторых бактерий)
никотиновая кислота образуется путем конденсации глицеральдегид-3-фосфата и
аспарагиновой кислоты:
Цикл Кребса
2СНаСО"------------>
Ацетил
СНг—СООН
сн?—соон
Янтарная
кислота
сн2-соон
с-соон
II
О Щавелево-
| уксусная
кислота
СН2ОН
I
снон
СН2ОН
Глицерин
I
снон
но о |
р/о— сн2
I
он
Г лицеральдегид-
3-фосфат
I
сн2-соон
сн -соон
h2n
Аспарагиновая
кислота
СООН
СООН
N СООН
Хинолиновая
кислота
Никотиновая
кислота
Связь между обменом белков и аминокислот, с одной стороны, и обменом ви-
таминов, с другой, проявляется также в том, что витамины могут служить исход-
ными веществами для синтеза некоторых соединений, играющих у растений сущест-
венную роль в азотистом обмене. Так, например, никотиновая кислота, под-
вергаясь в организме метилированию, дает соответствующий бетаин, получивший
название тригонеллина:
СН
НС с—соон
I II
НС сн
S-аденозил ме-
тионин
Никотиновая кислота
сн
Н(/\-СОСГ
I II
НС сн
Нз
Тригоне лл ин
Тригонеллин найден в разнообразных растениях.
Говоря о теснейшей взаимосвязи, имеющейся между белковым и аминокислот-
ным обменом и другими сторонами обмена веществ в организме, нельзя не
отметить того, что некоторые стимуляторы роста растений образуются в результа-
те превращений аминокислот. Доказано, что при вакуум-инфильтрации триптофа-
на в листья шпината очень сильно возрастает содержание в них ауксина. То же
самое наблюдается при воздействии на триптофан экстрактов из листьев. При
392
этом происходит образование промежуточных соединений, содержащих карбо-
нильную группу. По всей вероятности, в конечном счете из триптофана образует-
ся 0-индолилуксусная кислота, причем промежуточные стадии этого процесса
следующие:
СН NH,
Л \ I
НС с—с—сн2—сн—соон
I II II
нс с сн
дезаминирование
Ч/\/
CH NH
NH3 -р
Триптофан
СН
НС С—С—СН2—СО—ЬоОН декарбоксилирование
4-1 II II \ --------------:---*
нс с сн х — соа
^сн\н
Индолилпировиноградная кислота
СН
нс с—с—сн2—сон
-> I II II
НС с сн
окисление
НС
НС
С— С-СН2-СООН
И II .
С СН
СН NH
Индоли л уксусный альдегид
СН NH
Р-Индол ил уксусная кислота
Мы рассмотрели, таким образом, основные типы биохимических процессов,
лежащих в основе ассимиляции азотистых соединений и синтеза белка, а также
диссимиляции белка и аминокислот в растительном организме.
Необходимо подчеркнуть, что содержащийся в организме белок находится в
постоянном и непрерывном взаимодействии как с другими веществами, входящими
в состав данного организма, так и с веществами окружающей его среды. На это
постоянное взаимодействие белка с другими веществами организма и внешней
средой указывал в свое время Фридрих Энгельс.
Новейшие данные биохимии, полученные с помощью изотопной методики,
полностью подтвердили эту идею. Так, например, опытами Р. Шёнгеймера и
Г. Виккери установлено, что в растениях подсолнечника и гречихи, поглощавших
через корневую систему в качестве источника азота сернокислый аммоний, со-
державший азот 15N, чрезвычайно быстро происходит «обновление» белков и за-
мена в них обычного азота 14N изотопом 15N. Взаимодействие содержащегося в
тканях белка с поступающими в растение через корневую систему мечеными иона-
ми аммония начинается почти немедленно после того, как растения помещены в
питательную среду, содержащую меченый азот. Обновление азота происходит не
только после расщепления белка до аминокислот, но и непосредственно в самом
белке, по его пептидным связям. Так, например, за 12 часов после помещения
растений в питательную среду с изотопным азотом обновилось 6% содержащего-
ся в белках азота. Подобные опыты с мечеными атомами показали, таким образом,
что содержащийся в тканях белок подвергается непрерывному взаимодействию
с поступающими в организм из внешней среды питательными веществами, посто-
янно подвергаясь распаду и одновременно протекающему обновлению. Опыты с
мечеными атомами показали, что особенно интенсивный процесс обновления бел-
ков происходит в молодых растущих тканях растений, богатых нуклеопротеидами.
393
Вместе с тем с полной определенностью установлена тесная связь между
интенсивностью синтеза белка в тканях и дыханием. Особенно убедительные на-
блюдения в этом направлении были сделаны В. К. Залесским на прорастающих-
луковицах. Тесная взаимосвязь между интенсивностью синтеза белка и интенсив-
ностью дыхания ткани показана также для клубней картофеля, листьев ячменя и
различных плодов.
Рис. 99. Изменение содержания органиче-
ского азота в растении пшеницы:
1 — целое растение, 2—вегетативные части, А —
начало выхода в трубку
В заключение необходимо подчеркнуть еще одно важное обстоятельство —
теснейшую взаимосвязь обмена веществ и, в частности, белкового обмена, у раз-
личных тканей и органов растения. Так, при прорастании семени эндосперм или
семядоли служат источником белкового питания для прорастающего зародыша —
в них происходит гидролитический и окислительный распад белков, образова-
ние аминокислот и амидов, которые затем поступают в росток и служат в нем
исходным материалом для синтеза белков протоплазмы. Когда росток достаточно
разовьется и начнет на свету ассимилировать углекислый газ, главными местами
новообразования аминокислот и белков становятся лист и корень. По мере раз-
вития растения, сопровождающегося образованием цветков и плодов, начинается
перетекание аминокислот и белков из листьев к соцветиям и плодам. Этот процесс
хорошо иллюстрируется рис. 99, на котором представлено изменение содержания
органического азота в растениях пшеницы и отдельно в вегетативных частях рас-
тений. Видно, что со времени выхода в трубку начинается неуклонное снижение
содержания органического азота в вегетативных частях растений, что объясняет-
ся его перетеканием из листьев и стеблей в развивающиеся колосья.
ЛИТЕРАТУРА
Айтхожин М. А. Рибонуклеиновые кислоты и биосинтез белка в растительных клет-
ках. — В кн.: Растительные белки и их биосинтез. М., 1975, с. 234.
Ингрэм В. Биосинтез макромолекул. М., 1975.
Корнберг А. Синтез ДНК. М., 1977.
Кретович В. Л. Обмен азота в растениях. М., 1972.
Кретович В. Л. Значение работ Д. Н. Прянишникова для развития биологической хи-
мии. Ж- общ. биол., 1956, т. 17, № 3, с. 161.
Кретович В. Л. Молекулярные механизмы усвоения азота растениями.—39-е Тими-
рязевское чтение. М., 1980.
Майстер А. Биохимия аминокислот. М., 1961.
Мишустин Е. Н. и Шильникова В. К- Биологическая фиксация атмосферного азо-
та. М., 1967.
394
Пейве fl. В. Микроэлементы и биологическая фиксация атмосферного азота. М., 1971.
Прянишников Д. Н. Азот в жизни растений и в земледелии СССР. М., 1945.
Спирин А. С. и Гаврилова Л. П. Рибосома. М., 1971.
Шапвиль Ф. и Энни А. Л. Биосинтез белка. М., 1977.
«Acides nucleiques et synthese des proteines chez les vegetaux». Colloques Internationaux
du Centre Nationale de la Recherche Scientifique», N 261, 1977.
Beevers L. Nitrogen Metabolism in Plants. E. Arnold, London, 1976.
Bond G. Fixation of Nitrogen by Higher Plants Other than Legumes. «Annual Rev.
Plant Physiol.», 18, 107, 1967.
Burns R. C. a. Hardy R. W. F. Nitrogen Fixation in Bacteria and Higher Plants. J. Sprin-
ger Verlag, Berlin—Heidelberg; 1975.
Duda С. T. Plant RNA Polymerases. «Annual Rev. Plant Physiol.», 27, 119, 1976.
Hewitt E. J. Assimilatory Nitrate—Nitrite Reduction. «Annual Rev. Plant Physiol.»,
26 , 73, 1975.
«Nitrogen Metabolism in Plants». Edited by Goodwin T. W. and Smellie R. M. S., London,
The Biochemical Society, 1973.
Preobrazhensky A. A. a. Spirin A. S. Informosomes and Their Protein Components». In
«Progress in Nucleic Acid Research and Molecular Biology», E. W. Cohn, ed., vol. 20, Academic
Press, New York, 1977.
Zalik S. a. Jones B. L. Protein Biosynthesis. «Annual Rev. Plant Physiol.», 24, 47, 1973.
Глава XII
ВЗАИМОСВЯЗЬ ПРОЦЕССОВ ОБМЕНА ВЕЩЕСТВ В ОРГАНИЗМЕ.
РЕГУЛЯЦИЯ ОБМЕНА ВЕЩЕСТВ. ЭВОЛЮЦИОННАЯ БИОХИМИЯ
«Отдельное не существует иначе как в
той связи, которая ведет к общему. Общее
существует лишь в отдельном, через отдель-
ное».
В. И. Ленин
Выше неоднократно подчеркивалось, что отдельные процессы обмена веществ
в организме, отдельные стороны обмена веществ — обмен белков, углеводов, жи-
ров, витаминов, минеральных соединений и т. д. теснейшим образом связаны
друг с другом. Существование организма немыслимо без этого взаимодействия,
без этой тесной взаимосвязи отдельных сторон обмена веществ. Огромное коли-
чество биохимических реакций, совершающихся в организме во время ассимиля-
ции и диссимиляции, тесно связаны друг с другом и направлены на самообновле-
ние и самосохранение организма в целом.
Очевидно, что в обмене веществ организма ведущая роль принадлежит белко-
вым соединениям и нуклеиновым кислотам. Белковые вещества не только состав-
ляют основу всех протоплазменных структур в организме, но, будучи наделены
каталитическими функциями и являясь составной частью ферментов, определяют
скорость, направление и теснейшую сопряженность отдельных реакций обмена
веществ. Нуклеиновые кислоты играют решающую роль в наследственности и из-
менчивости организмов, в синтезе белков; они служат вместе с тем источником
различных коферментов-нуклеотидов.
Взаимосвязь и сопряженность различных сторон обмена веществ в организме
растения может быть проиллюстрирована многочисленными примерами, из кото-
рых мы приведем лишь некоторые.
Рассмотрим вопрос о связи процесса дыхания с превращениями белковых
веществ и аминокислот. Исследования, проведенные с помощью меченых атомов,
в частности, с помощью азота 15N, показали, что белок протоплазмы находится в
состоянии непрерывного изменения и обновления, в состоянии одновременно про-
текающего синтеза и распада, ассимиляции и диссимиляции. Реакции, лежащие
в основе участия белка и аминокислот в окислительно-восстановительных процес-
сах, происходящих в организме, мы можем представить себе следующим образом.
Аминокислоты, могут подвергаться, прежде всего, декарбоксилированию под
влиянием соответствующих ферментов. В результате из аминокислоты образуется
углекислый газ и тот или иной амин или соответствующая аминокислота.
396
Аминокислоты могут также подвергаться в организме окислительному деза-
минированию с образованием аммиака и кетокислот. Аммиак, освобождающийся
в результате дезаминирования аминокислот, вступает во взаимодействие с раз-
личными кетокислотами, образуя новые аминокислоты, используемые, в свою
очередь, на синтез белка. Кетокислоты, образовавшиеся при дезаминировании
аминокислот, декарбоксилируясь под действием соответствующих декарбоксилаз,
образуют СО2.
Особенно интенсивному окислительному распаду подвергаются в раститель-
ных тканях дикарбоновые аминокислоты — аспарагиновая и глютаминовая.
Интенсивный окислительный распад дикарбо новых аминокислот происходит
вследствие того, что соответствующие кетокислоты— щавелевоуксусная и а-
кетоглютаровая, образующиеся из них при дезаминировании, являются важными
участниками цикла трикарбоновых кислот. Как известно, аспарагиновая кислота
может также под действием аспартат — аммиак-лиазы обратимо превращаться в
фумаровую кислоту, образующуюся при окислительных превращениях пирови-
ноградной кислоты. С другой стороны, аспарагиновая и глютаминовая кислоты,
возникающие в результате аминирования щавелевоуксусной и а-ке^рглютаровой
кислот, представляют собой исходные соединения для биосинтеза соответствую-
щих амидов — аспарагина и глютамина, играющих столь важную роль в белко-
вом обмене растений. Вместе с тем глютаминовая кислота, как уже отмечалось
ранее, может давать начало ряду важных аминокислот (пролину, оксипролину,
орнитину и др.).
Пировиноградная кислота, занимающая центральное положение в системе
биохимических реакций, происходящих при брожении и дыхании, также тесно
связана с белковым обменом, поскольку при ее аминировании образуется столь
важная аминокислота, как аланин. Таким образом, из всего изложенного выше
очевидно, что окислительно-восстановительные процессы, лежащие в основе
брожения и дыхания, теснейшим образом связаны с обменом белков и амино-
кислот.
Фосфоглицериновый альдегид служит также исходным веществом для био-
синтеза глицерина, а ацетил-СоА, образующийся при окислительном декарбо-
ксилировании пировиноградной кислоты, дает начало высокомолекулярным жир-
ным кислотам и стероидам. Таким образом, процессы брожения и дыхания нераз-
рывно связаны также и с обменом липидов. Липидный обмен, как и все другие
стороны обмена веществ в организме, сопряжен с превращениями белков и ами-
нокислот. Хорошо известно, например, что содержание жира в семенах масличных
растений зависит от условий их азотистого питания; точно так же интенсивность
биосинтеза жира у ряда микроорганизмов, накапливающих значительные коли-
чества жиров (как, например, Endomyces vernalis), теснейшим образом связана с
условиями азотистого питания.
Выше подробно рассмотрены пути образования органических кислот у рас-
тительных организмов. При этом подчеркнута важная роль пировиноградной кис-
лоты и ацетила в образовании ряда органических кислот. Вместе с тем отмечена
теснейшая связь между превращениями органических кислот у высших или
низших растений и белковым обменом, в частности характером источников
азотистого питания (с. 237).
Активный ацетил, образующийся из пировиноградной кислоты, служит ис-
ходным веществом для биосинтеза огромного числа разнообразных терпеноидов.
Таким образом, активный ацетил — продукт диссимиляции углеводов, служит
вместе с тем материалом для биосинтеза в растительном организме таких сложных
соединений, как терпены, стероиды, каучук, каротиноиды, убихиноны и пласто-
хиноны, витамин К.
Взаимозависимость и неразрывную связь реакций, лежащих в основе броже-
ния, дыхания, белкового и липидного обмена, можно представить в виде схемы:
397.
Все превращения веществ в организме тесно связаны с участием в них вита-
минов и минеральных соединений, в частности фосфорной кислоты. Первые этапы
анаэробной диссимиляции углеводов сопровождаются присоединением к ним ос-
татков фосфорной кислоты. Декарбоксилирование пировиноградной кислоты осу-
ществляется благодаря каталитическому действию фермента пируватдекарбокси-
лазы, состоящего из белка и фосфорнокислого эфира витамина В4. Реакция пере-
аминирования между кетокислотами и аминокислотами идет под действием
аминотрансфераз, состоящих из белка и фосфорнокислого эфира производного ви-
тамина В6. Восстановление ацетальдегида в этиловый спирт осуществляется бла-
годаря каталитическому действию пиридиновых дегидрогеназ, содержащих в
составе простетической группы витамин РР (амид никотиновой кислоты). Декар-
боксилирование аминокислот происходит благодаря каталитическому действию
соответствующих ферментов, представляющих собой сочетание белка с фосфопи-
ридоксалем. При этом нужно отметить, что накопление в растениях путресцина и
кадаверина, являющихся продуктами декарбоксилирования орнитина и лизина,
398
происходит при калийном голодании и хлоридном отравлении. Наконец, синтез
белка сопряжен с превращениями богатых энергией остатков фосфорной кислоты»
содержащихся в нуклеозидфосфатах. Весьма существенно, что участие в обмене
веществ фосфорной кислоты и витаминов осуществляется в результате их соеди-
нения с белком.
Аминокислоты, образующиеся синтетическим путем или же возникающие в
результате гидролиза белка, являются исходным материалом для биосинтеза це-
лого ряда соединений. Так, например, у животных и грибов триптофан дает нача-
ло никотиновой кислоте, которая, в свою очередь, участвует в построении кофер-
мента пиридиновых дегидрогеназ. Триптофан в результате ряда превращений так-
же дает начало ауксинам. Гликокол, глютаминовая кислота и цистеин, соединяясь,
образуют глютатион — вещество, играющее важнейшую роль в регулировании
окислительно-восстановительных процессов и действия ферментов в организме.
Соединение других аминокислот в виде циклопептидов приводит к образованию
таких биологически активных соединений, как грамицидин или токсины бледной
поганки.
В разделе, посвященном алкалоидам, мы уже отмечали, что в биосинтезе этих
соединений в качестве исходных веществ участвуют аминокислоты или образую-
щиеся из них амины, а также различные альдегиды, возникающие в результате
диссимиляции углеводов. С помощью изотопной методики показано, что аланин,
играющий важнейшую роль в аминокислотном и белковом обмене растительных
организмов, вместе с тем может являться исходным веществом, используемым рас-
тениями на синтез каучука, каротиноидов и жиров. При этом, по-видимому, ала-
нин, декарбоксилируясь и дезаминируясь, образует активный ацетил, используе-
мый затем в качестве строительного материала в указанных синтезах. Рассмат-
ривая вопрос о взаимосвязи различных сторон обмена веществ, нужно отметить,
что имеется теснейшая взаимосвязь между обменом, происходящим в различных
тканях и органах растения.
Число примеров, иллюстрирующих органическую связь и взаимозависимость
отдельных процессов и сторон обмена веществ, можно было бы умножить. Однако
все они лишь в отдаленной степени отражают исключительное многообразие и ор-
ганическую взаимосвязь процессов, составляющих обмен веществ в организме.
В данном случае весьма уместно вспомнить замечание В. И. Ленина о том, что
«практика выше (теоретического) познания, ибо она имеет не только достоинство
всеобщности, но и непосредственной действительности»1.
Превращения веществ в организме тесно связаны не только друг с другом,
но и с внешней средой, вне которой существование организма невозможно.
Постоянный обмен веществ с окружающей внешней средой является основным
признаком той формы движения материи, которую мы называем жизнью.
Современная биохимия располагает огромным материалом, который может
иллюстрировать идею о неразрывной связи организма и внешней среды, о влия-
нии, оказываемом средой на химический состав организма и на происходящие в
нем процессы обмена веществ. Мы приведем здесь лишь некоторые данные по это-
му вопросу.
Если взять такой важнейший показатель химического состава растений и
качества растительного сырья, как содержание белка, то еще в 1865 г. профессор
Московского университета Н. Е. Лясковский впервые указал на чрезвычайно
большое влияние, оказываемое климатическими условиями на содержание белка
в пшеничном зерне. Многолетние анализы зерна пшеницы и ячменя, проведенные
под руководством профессоров Н, Н. Иванова иМ.И. Княгиничева, подтверди-
ли выводы Н. Е. Лясковскога»
1 Ленин В. И. Философские тетради. Политиздат, 1969, с. 195.
399
Дальнейшие исследования показали, что содержание белка в пшеничном зер-
не зависит от влажности почвы и осмотического давления почвенного раствора.
Не каждый сорт пшеницы одинаково реагирует на изменение количества осадков и
осмотического давления почвенного раствора. Имеются сорта пшеницы, которые
при поливе лишь незначительно снижают содержание белка в зерне и дают хлеб
лучшего качества, чем другие сорта без полива. Важную роль играет способ
орошения. Наконец, огромную роль играет азотистое питание — при внесении в
соответствующие сроки достаточного количества азотистых удобрений можно по-
лучить высокобелковое, стекловидное зерно.
Таким образом, при рациональном комбинировании различных агротехни-
ческих приемов и выборе соответствующих сортов пшеницы в орошаемых райо-
нах можно получать очень высокие урожаи высококачественного, богатого белком
пшеничного зерна.
Если проследить, как влияют условия произрастания на содержание таких
веществ, как алкалоиды, образование и превращение которых теснейшим образом
связано с белковым и аминокислотным обменом растений, то можно убедиться в
том, что внешние условия оказывают огромное влияние на содержание этих ве-
ществ. Так, например, по данным А. А. Шмука и А. И. Смирнова, содержание
никотина в махорке колеблется от 1,5 до 7,8% на сухое вещество. Значительные
колебания в содержании алкалоидов наблюдаются также у целого ряда других
растений, например у хинного дерева; при этом установлено, что содержание ал-
калоидов в коре хинного дерева возрастает по мере повышения местности над уров-
нем моря. Содержание витамина С в плодах дикого шиповника (Rosa canina),
по данным В. Н. Букина, колеблется от 100 до 2 165 мг на 100 г сухой массы
мякоти.
Можно было бы привести огромное количество примеров чрезвычайно глубо-
кого влияния, оказываемого условиями внешней среды на содержание в растени-
ях белка, сахаров, алкалоидов, гликозидов, жиров, витаминов и т. д. Подробные
материалы по этому вопросу содержатся в капитальном труде «Биохимия куль-
турных растений», изданном под редакцией проф. Н. Н. Иванова.
Изменение условий внешней среды сказывается не только на количественном
содержании тех или иных веществ, но вызывает в них также глубокие качествен-
ные сдвиги. Так, например, под влиянием географических условий заметно изме-
няется содержание в масле ненасыщенных жирных кислот и его иодное число.
(Ниже показано влияние географических условий на иодное число льняного масла
по С. Л. Иванову):
Место произрастания льна
Архангельск .............................
Ленинград ...............................
Москва...................................
Воронеж .................................
Кубань...................................
Ташкент..................................
Иодное число
масла
195—204
185—190
178—182
170
164
154—158
Воздействие условий среды на обмен веществ растения проявляется и в более
глубоких изменениях его химического состава. Так, юган — зонтичное растение,
произрастающее в Таджикской ССР, не содержит ядовитых веществ в том случае,
если растет в горах, и приобретает ядовитые свойства в долинах. Аналогичный
факт отмечал в свое время Дарвин, когда указывал, что болиголов, который обыч-
но содержит весьма ядовитый алкалоид — кониин, не содержит его, если произ-
растает в горах. Ярким примером глубоких качественных сдвигов в химизме рас-
тения, происходящих под влиянием условий среды, является ясенец (Dictamnus
fraxinella). В Средней Азии это растение выделяет значительные количества эфир-
ного масла, вызывающего глубокие ожоги на коже. Тот же самый ясенец под Мос-
400
квой совершенно безопасен и может быть использован как декоративное растение
с красивыми розовыми цветами.
Глубокие сдвиги, происходящие в обмене веществ, а следовательно, ив хими-
ческом составе растительных организмов, под влиянием изменяющихся условий
внешней среды теснейшим образом связаны с соответствующими сдвигами в фер-
ментных системах растений. Еще в 1924 г. А. Н. Бах установил, что активность
ферментов в течение суток значительно колеблется. При этом он высказал предпо-
ложение, что эти колебания происходят под влиянием Изменяющихся условий
жизни организма. Наблюдения А. Н. Баха были затем подтверждены и значитель-
но расширены А. И. Опариным и Н.М. Сисакяном, А. Л. Кирсановым, Б. А. Ру-
биным и их сотрудниками, которые детально исследовали суточные и сезонные
изменения действия ферментов у плодовых деревьев, сахарной свеклы, картофе-
ля и других растений. Эти исследования показали, что ритмические суточные и
сезонные изменения активности ферментов целесообразно приспособлены к соот-
ветствующим изменениям условий внешней среды. Так, например, суточные изме-
нения интенсивности синтеза и распада сахарозы в листьях сахарной свеклы тесно
связаны с происходящими в течение суток изменениями условий освещения; за-
кономерное изменение температурного оптимума синтеза и гидролиза крахмала в
картофельном растении соответствует общему ходу изменения температуры возду-
ха в течение вегетационного периода.
Таким образом, изменение условий среды — освещения, температуры и т.д.
— в течение суток или всего вегетационного периода вызывает соответствующие
глубокие изменения в активности и характере действия ферментов, а следова-
тельно, и во всем обмене веществ растения.
Особенно яркие примеры влияния внешней среды на ферментные системы мо-
гут быть получены при выращивании микроорганизмов на различных питатель-
ных средах. Еще в конце прошлого столетия было показано, что если некоторые
бактерии выращивать на питательных средах, содержащих крахмал, то эти микро-
бы образуют значительное количество амилазы, которая отсутствует в бактериях,
выращенных на среде, не содержащей крахмала. Подобные опыты привели к
возникновению идеи о ферментной адаптации (приспособлении), происходящей
при изменении состава среды. Однако поскольку в таких опытах происходит раз-
множение бактерий, то высказывался взгляд, что в исходной бактериальной куль-
туре имеются отдельные клетки, так называемые варианты, которые содержат в
ничтожном количестве фермент, как бы возникающий заново при культивирова-
нии бактерий на новой питательной среде. Согласно этому взгляду упомянутое
выше образование амилазы при культивировании бактерий на среде с крахмалом
является кажущимся и объясняется тем, что начинают усиленно размножаться
те клетки, в которых еше до перенесения на среду с крахмалом имелась амилаза.
Однако Ф. Динерт и М. Стефенсон с сотрудниками установили, что некоторые
дрожжи, которые обычно не способны сбраживать галактозу, могут быть за корот-
кий срок «воспитаны» таким образом, что они начинают сбраживать этот сахар,
причем, что особенно важно, за это время не происходит размножения дрожжей.
В настоящее время накоплен большой экспериментальный материал, который
на различных микроорганизмах подтверждает идею о том, что путем изменения
условий среды можно заставить микробы образовывать соответствующие фер-
менты.
’ По предложению Г. Карстрема, такие ферменты, которые образуются при
адаптации микроорганизмов к соответствующему субстрату, получили название
адаптивных ферментов', ферменты же, которые постоянно образуются клеткой
независимо от состава среды, на которой она растет, были им названы конститу-
тивными. Термин адаптивный фермент подвергся критике и в настоящее время
принят термин индуцируемый фермент, - а процесс образования фермента при до-
бавке к среде соответствующего вещества называют индукцией или индуцирован-
401
Рис. 100. Кинетика индукции изоцитрат-
лиазы у темновой аэрируемой культуры
Chlorella pyrenoidoscr.
/— в отсутствие ацетата, 2— в присутствии 0,2%-ного
ацетата натрия
ным биосинтезом фермента. Типичным
индуцируемым ферментом является нит-
ратредуктаза. Ее индукция под влияни-
ем нитратов показана на примере раз-
личных микроорганизмов, хлореллы и
высших растений.
Великолепным примером индукции
фермента под влиянием его субстрата
является открытое нами образование но-
вой формы глютаматдегидрбгеназы, ин-
дуцируемой у некоторых штаммов Chlo-
rella pyrenoidosa аммонийными солями.
Обычно при культивировании на среде с
нитратом клетки этих штаммов содержат
конститутивный фермент, работающий
как с NAD, так немного и с NADP.
При переносе клеток на среду с солями
аммония в них синтезируется новая ин-
дуцируемая форма фермента, работаю-
щая только с NADP и отличающаяся от конститутивного фермента своей высо-
кой лабильностью и кинетическими характеристиками.
Нужно отметить, что образование индуцируемого фермента может происхо-
дить не только под влиянием субстрата, на который данный фермент действует,
но и под влиянием соединений, на которые этот фермент не оказывает влияния.
Хорошим примером индукции синтеза фермента соединением, не являющимся
его субстратом, может служить образование изоцитрат-лиазы у хлореллы. Обыч-
но культивируемая на свету хлорелла не образует этот фермент. Однако при куль-
тивировании ее в темноте на ацетате, являющемся в этих условиях единственным
источником углерода, хлорелла синтезирует активную изоцитрат-лиазу. Это яс-
но видно на рис. 100, на котором показана кинетика образования изоцитрат-
лиазы.
Противоположен индукции процесс репрессии, при котором определенное
вещество вызывает угнетение биосинтеза данного фермента. Так, например, если
кишечная палочка (Escherichia coll) растет на среде, не содержащей триптофана,
то она в большом количестве образует фермент триптофансинтазу, катализирую-
щий синтез триптофана из индола и серина. Если же к среде добавить триптофан,
то биосинтез этого фермента прекращается. В данном случае мы имеем дело со
специфической репрессией биосинтеза фермента. Однако существует также неспе-
цифическая репрессия, типичным примером которой является угнетение глюкозой
биосинтеза некоторых ферментов у микроорганизмов.
Как, какими молекулярными механизмами осуществляется индукция или
репрессия синтеза того или иного фермента? Где, в каких местах, на каких ре-
цепторах клетки происходит связывание индуктора или вещества, вызывающего
репрессию? Установлено, что индукторы и вещества, вызывающие репрессию, в
конечном счете действуют на ДНК, содержащуюся в клеточном ядре. Воздейст-
вуя на определенный участок молекулы ДНК (на определенный ген), в котором
заключена наследственная информация о синтезе данного фермента, они оказыва-
ют влияние на последующий синтез матричной РНК, передающей в рибосомы ин-
формацию, необходимую для синтеза этого фермента. Именно через ДНК осущест-
вляется действие индукторов и репрессоров, в результате чего регулируется био-
синтез ферментов в рибосоме.
Общая теория индукции и репрессии биосинтеза ферментов дана Ф. Жако-
бом и Ж. Моно. Рассмотрим ее на примере синтеза изолейцина у Escherichia coli,
этапы которого показаны ниже:
402
СН3 СН3
| пиридоксаль- |
СН—ОН фосфат СН2
।--------------------' X ~
СН—NH2 треонинде- С=О
[ гидратаза |
соон соон
L-Треонин а-Кетомасляная
кислота
СН3
I
4- пируват С=О
----------> со2 + I
тиаминпи--СН3—СН2—С—ОН
рофосфат |
СООН
а-Ацетооксимасляная
кислота
снз СН3
NADPH + Н+ | |
---------> Н.,С—СН2—С—ОН — Н2О СН3—СН2—СН
Н—С—ОН дегидратаза С=О
I диоксикислот |
СООН СООН
а, ₽-Диокси-₽-метилва- а-Кето-Р-метилвалериановая
лериановая кислота кислота
Н3С
пиридоксальфосфат СН2 СН3
аминотрансфераза СН
СН—NH2
I
СООН
L-Изолейцин
При добавке избытка изолейцина к питательной среде синтез его прекращает-
ся. В данном случае мы имеем прекрасный пример того, как конечный продукт
длинной цепи биосинтетических реакций по принципу обратной св язи регулирует
весь процесс биосинтеза. Оказалось, что избыток изолейцина действует двояким
образом: во-первых, по принципу аллостерической регуляции (см. с. 105) ингиби-
рует активность фермента треониндегидратазы (4.2.1.16), катализирующего
первый этап биосинтетической цепи и, во-вторых, приостанавливает (репрессирует)
синтез в клетках всех ферментов, необходимых для биосинтеза изолейцина (в
том числе и треониндегидратазы). Нужно подчеркнуть, что ингибирование актив-
ности первого фермента в этой цепи ферментативных реакций осуществляется не
по принципу конкурентного торможения, поскольку L-изолейцин не является
структурным гомологом L-треонина. Здесь также важно отметить, что эти две сто-
роны действия L-изолейцина на клетки микроба совершенно независимы друг от
друга, что было показано опытами с мутантами Escherichia coli. Был получен му-
тантный штамм, у которого не наблюдалось ингибирования треониндегидратазы
L-изолейцином, а у другого мутанта полностью отсутствовало репрессирование
синтеза всех ферментов биосинтетической цепи под влиянием L-изолейцина.
Исходя из того, что синтез каждого фермента в этой биосинтетической цепи
опоеделяется соответствующим геном, т. е. определенным участком молекулы
ДНК, мы можем представить себе механизм обратной связи в виде схемы, изобра-
женной на рис. 101.
На этой схеме показано, что L-изолейцин ингибирует активность первого
фермента биосинтетической цепи — треониндегидратазы (А) и репрессирует
синтез всех ферментов, принимающих участие в синтезе L-изолейцина (Б). Соглас-
но гипотезе Жакоба и Моно, соединения, индуцирующие и репрессирующие синтез
того или иного фермента, воздействуют не непосредственно на структурные гены,
контролирующие образование соответствующих ферментов. По соседству с груп-
пой структурных генов в полинуклеотидной цепочке ДНК расположен так назы-
ваемый оператор, который контролирует, т. е. включает и выключает те или иные
«находящиеся в его ведении» структурные гены, от которых зависит синтез соот-
403
Рис. 101. Схема механизма обратной связи при биосинтезе L-изолейцина у
Escherichia coli
Ген- Про-
Структурный
регулятор мотор Оператор Структурный ген А Тен Б
Амино-
кислоты
Метаболит-
регулятор
Фермент А Фермент Б
Рис. 102. Регулирование синтеза ферментов репрессором
ветствующих ферментов. Рядом с оператором находится промотор, с которым свя-
зывается и затем начинает работать фермент ДНК-зависимая РНК-полимераза,
синтезирующая матричную РНК, кодирующую синтез соответствующих фермен-
тов А и Б (рис. 102). Работа оператора зависит от вещества, которое получило
название репрессор. Репрессор является белком и образуется под влиянием гена-
регулятора. Репрессор может взаимодействовать как с соединениями, индуциру-
ющими синтез данного фермента, так и с соединениями, репрессирующими его
образование. Если мы имеем дело с репрессируемой системой), как в случае био-
синтеза L-изолейцина, то последний, связываясь с репрессором, активирует его.
404
Активированный репрессор, в свою очередь, как бы блокирует промотор и опера?
тор, препятствуя ДНК-зависимой РНК-полимеразе соединиться с промотором,
в результате чего не может идти синтез соответствующей матричной РНК, а следо-
вательно, и синтез соответствующих ферментов. Если мы имеем дело с индуцируе-
мой системой, как в случае биосинтеза изоцитрат-лиазы, то соединение, индуциру-
ющее ее синтез, инактивирует репрессор, блокирующий соответствующий опера-
тор, и этот последний, освободившись от влияния репрессора, пускает, «включает»
«подчиненный ему» структурный ген, от которого зависит синтез соответствующей
матричной РНК и синтез данного индуцируемого фермента. При этом инактива-
ция репрессора происходит вследствие изменения его конформации.
Схематически эта гипотеза генетического контроля синтеза ферментов пред-
ставлена на рис. 102.
Следовательно, ген-регулятор «управляет» синтезом репрессора, который свя-
зывается с соответствующим метаболитом, играющим роль регулирующего сиг-
нала. В результате этого связывания репрессор активируется или инактивируется
(в зависимости от того, является ли данная система ферментативных реак-
ций индуцируемой или репрессируемой). Будучи активирован, репрессор бло-
кирует ген-оператор, что приводит к прекращению работы ДНК-зависимой
РНК-полимеразы, прекращению синтеза матричной РНК и к «выключению»
соответствующего структурного гена, от которого зависит синтез данного
фермента.
Таким образом, гипотеза Жакоба и Моно рассматривает репрессию и индук-
цию синтеза ферментов как две неразрывные стороны одного и того же процесса.
В репрессируемой системе связывание регулирующего сигнального метаболита с
репрессором активирует этот последний, и он блокирует синтез фермента. В
индуцируемой системе, напротив, сигнальный метаболит, связываясь с репрессо-
ром, инактивирует его. В результате происходит дерепрессия определенного участ-
ка ДНК, с него как бы снимается тормоз и вслед за этим начинается синтез соот-
ветствующей матричной РНК, начинает работать весь описанный нами механизм
синтеза данного индуцируемого фермента. Можно сказать, что различные репрес-
соры являются в клетке специализированными рецепторами, каждый из которых
«настроен» на сигнал определенного метаболита, индуцирующего или репресси-
рующего синтез того или иного фермента. Иными словами, в генах, содержащихся
в полинуклеотидных цепочках ДНК, заключены «инструкции» для синтеза раз-
нообразных ферментов, причем образование каждого из них может быть вызвано
воздействием сигнального метаболита (индуктора) на соответствующий репрессор.
Репрессор, контролирующий метаболизм лактозы у Escherichia coli, представляет
собой белок-тетрамер с молекулярной массой субъединицы 38 000.
Исключительный интерес представляет вопрос о том, каким образом осущест-
вляется регуляция синтеза белков при онтогенезе — развитии зародыша, росте,
дифференцировке тканей и морфогенезе. Как, под влиянием каких воздействий
«включаются» и «выключаются» те или иные гены? У эукариотов активность генов
регулируется с помощью белков, входящих вместе с ДНК в состав хроматина.
Эти белки, в том числе гистоны, играют в хроматине структурную роль,
стабилизируя двойную спираль ДНК. Возможно они также регулируют актив-
ность генов. Ранее высказывалась гипотеза, согласно которой гистоны, связы-
ваясь с тем или иным участком ДНК, блокируют его и репрессируют таким
образом синтез матричной РНК и соответствующих белков. Негистоновые белки
хроматина, присоединяясь к гистону и подвергаясь затем фосфорилированию,
как бы «уводят» этот гистон из того участка ДНК, который он блокирует.
Однако в настоящее время эта гипотеза оставлена и гистонам приписывается
структурная роль. Изучение на молекулярном уровне важнейшей проблемы
регуляции активности генов в биохимии растений только начинается.
Новые биохимические, физиологические и морфологические признаки, воз-
405
пикающие под влиянием внутренних факторов или условий внешней среды, на-
следуются и в результате отбора закрепляются в потомстве, возникают новые ви-
ды и сорта.
Процесс эволюции и видообразования сопровождается глубокой перестрой-
кой соединений, образующих организмы. Прекрасным примером подобной моле-
кулярной эволюции является эволюция цитохрома с. Если у человека и шимпан-
зе он имеет одинаковую первичную структуру, то у человека и плесневого гриба
Neurospora crassa цитохром с отличается по составу и положению аминокислотных
остатков в полипептидной цепи более чем на 40%. Цитохромы с, выделенные из
семян полсолнечника и гречихи, хотя оба содержат по 103 аминокислотных остат-
ка, однако отличаются 22 аминокислотами и их расположением в полипептидной
цепочке. Таким образом, хотя у всех изученных организмов цитохром с выполня-
ет одну и ту же функцию переноса электронов в процессе дыхания, состав и струк-
тура этого катализатора в эволюционном развитии живого мира подверглись
существенным изменениям, тем большим, чем далее удалены сравниваемые орга-
низмы в эволюционной лестнице.
Биохимия растений накопила в настоящее время огромный материал, свиде-
тельствующий о глубоких биохимических различиях отдельных видов и сортов
растений. Эти различия могут быть прослежены как по количественному содержа-
нию того или иного вещества — белка, масла, сахара, крахмала и т. д., так и по
более глубоким качественным признакам — аминокислотному составу белков,
ферментативной «атакуемости» белка или крахмала и т. д.
Ряд исследований показал, что крахмалу разных сортов кукурузы свойст-
венна различная температура клейстеризации, а крахмал разных сортов пшеницы
различается по вязкости растворов в мочевине. Существенные различия установ-
лены в соотношении амилопектина и амилозы в крахмале мозговых и круглых Го-
рохов.
Различные сорта риса, дающие крупу с разной разваримостью, отличают-
ся соотношением амилозы и амилопектина в крахмале. Это ясно видно из рис.
103, на котором представлены данные, полученные индийскими учеными Б. Рао,
А. Мерти и Р. Субраманиа.
Показательны закономерные изменения в составе масел из семян различных
видов сосны, проявляющиеся по мере передвижения с севера на юг. Масла сосны
обыкновенной (Pinus silvesfris) и кедра (Pinus cembrd), растущих в северных об-
ластях, содержат значительное количество линоленовой кислоты. Масло из семян
пинии (Pinus pined), растущей в Италии, содержит
весьма незначительное количество линоленовой кис-
лоты, а тропические виды сосны, как, например,
Pinus canariensis и Pinus longifolia, полностью утрати-
ли способность к биосинтезу этой ненасыщенной жир-
ной кислоты. Существенные различия в составе масел
наблюдаются не только между различными видами
растений, но и между различными особями одного и
того же вида. Так, у рапса и белой горчицы содержание
эруковой кислоты в масле может колебаться от 15 до
58%. Такая большая изменчивость в составе масла
может быть использована для селекции на повышенное
и пониженное содержание эруковой кислоты.
Специфические видовые и сортовые особеннос-
ти обмена веществ находят свое выражение прежде
всего в свойствах белков. Примером специфичности
белков, свойственной различным сортам растений,
являются белки, определяющие иммунитет сахарного
тростника по отношению к грибу Helminthosporium
320 г
о 2 4 6 8 10 12 14 16 18
Содержание амилозы
в крахмале, %
Рис. 103. Связь развари-
мости риса с содержанием
амилозы в крахмале
406
sacchari, вызывающему серьезное заболевание растения. Прорастающие споры
этого гриба выделяют токсин гелъминтоспорозид, представляющий собой а-га-
лактозид, у которого агликон содержит трехуглеродное оксициклопропиловое
кольцо:
У неустойчивых к заболеванию сортов сахарного тростника токсин связывает-
ся с особым белком-тетрамером, имеющим молекулярную массу 48 000 (4 х 12 000)
«утопленным» в белково-липидной мембране (рис. 104; см. цветную вкл.).
Связываясь с этим белком, токсин вызывает изменение его конформации. Это,
в свою очередь, приводит к пертурбации структуры двойного липидного
слоя мембраны, что вызывает изменение конформации и активности «вмон-
тированного» по соседству в мембрану фермента аденозинтрифосфатазы (АТРазы),
регулирующего поступление в клетку ионов калия. Изменение конформации фер-
мента приводит к его активации и нарушению ионного баланса, что в конечном
счете и является причиной заболевания растения. У устойчивых сортов сахарного
тростника в мембране содержится подобный же белок-тетрамер с той же молеку-
лярной массой, но несколько отличающийся по первичной и, по-видимому, по тре-
тичной структуре, вследствие чего он не способен связывать токсин.
Экспериментальное исследование биохимических процессов, связанных с
явлениями наследственности и изменчивости, является в настоящее время одной
из важнейших задач биологической химии. Это направление в науке, которое на-
зывают биохимической генетикой, за последние годы усиленно развивается.
Центральная проблема биохимической генетики — проблема наследствен-
ной регуляции процесса биосинтеза белков. В этой области достигнуты значи-
тельные успехи, которые связаны с расшифровкой генетического кода. Эти заме-
чательные открытия проливают свет на молекулярные основы наследственности и
раскрывают заманчивые перспективы на пути познания сущности жизни.
Новые формы растительных организмов, возникающие в результате воздей-
ствия внутренних факторов, факторов внешней среды или гибридизации, явля-
ются источником образования новых сортов и видов. Изменение типа обмена ве-
ществ и возникновение новых признаков закрепляются путем их наследования и
усиливаются естественным или искусственным отбором. Искусственный отбор
в течение нескольких поколений растений с тем или иным ценным признаком по-
зволил создать путем селекции высокопродуктивные сорта различных культурных
растений. Таким образом были созданы сорта сахарной свеклы с очень высокой
сахаристостью корня, достигающей 19—20%; в результате селекции и усовершен-
ствования технологии сахарного производства выходы сахара при переработке
свеклы увеличились за 100 лет почти в два с половиной раза. Подобное возраста-
ние сахаристости корня свеклы связано с глубокими изменениями в обмене ве-
ществ, прежде всего с усилением интенсивности ферментативного синтеза сахаро-
зы. Действительно, как указывал Б. А. Рубин, параллельно возрастанию содер-
жания в свекле общего количества сахаров имело место увеличение как абсолют-
ной, так и относительной доли сахарозы и снижение доли моносахаридов. Это яс-
но видно из сопоставления данных, характеризующих общее содержание саха-
ров и содержание сахарозы у кормовой, столовой и сахарной свеклы:
407
Свекла Общая сумма Сахароза, % от
сахаров, % суммы сахаров
Кормовая........................... 4,8—5,5 75—80
Столовая.............................. 9,0—11,0 80—85
Сахарная ............................ 17,0—19,0 95—98
Селекция форм картофеля с повышенной крахмалистостью клубней дала воз-
можность создать за сравнительно короткий период новые высокоурожайные сор-
та с крахмалистостью до 20%.
Кукурузный крахмал обычно содержит 21—23о/о амилозы и 77—79о/о амило-
пектина. Селекционерами в содружестве с биохимиками выведены новые сорта
кукурузы, содержащие в крахмале до 82% амилозы. Путем селекции выведены
также сорта кукурузы, содержащие в зерне до 15 % жира вместо обычных 4—5%.
Белки эндосперма кукурузы содержат очень мало таких важнейших незаме-
нимых аминокислот, как лизин и триптофан, чем объясняется сравнительно низ-
кая кормовая и пищевая ценность кукурузной муки, получаемой из эндосперма.
/ Однако в 1964 г. был найден мутант кукурузы (opaque-2), у которого белки
эндосперма значительно богаче указанными аминокислотами, что видно из ниже-
следующих цифр:
Аминокислота, % Обычная кукуруза Мутант
Лизин......................... 1,6 3,7
Триптофан .................... 0,3 0,7
Повышенное содержание лизина и триптофана в белках мутанта объясняется
тем, что у него в эндосперме накапливается меньше спирторастворимого белка
зеина, который особенно беден этими аминокислотами.
Опыты на животных, как и следовало ожидать, показали, что белки эндо-
сперма мутантной формы обладают значительно большей кормовой ценностью,
чем белки обычной кукурузы. Путем использования подобных мутантов в качест-
ве исходного материала для гибридизации и селекции можно значительно повы-
сить пищевую и кормовую ценность зерна.
Весьма перспективными являются работы по гибридизации диких и культур-
ных форм овса. Дикий овес Avenasterilis содержит в обрушенном зерне до 30%
белка, в то время как у лучших культурных сортов его содержание не превышает
18-19%.
Выдающимся советским селекционером В. С. Пустовойтом выведены сорта
подсолнечника, в семенах которых содержится до 46—51 % масла, что намного
превышает содержание масла в обычных сортах подсолнечника (25—30%). От-
дельные же биотипы подсолнечника, выведенные В. С. Пустовойтом, отличаются
рекордно высокими показателями (до 58% масла в семенах).
Необходимо подчеркнуть, что значительные успехи, достигнутые селекцией
в создании новых высокопродуктивных форм различных культурных растений,
связаны с применением такой системы агротехнических мероприятий, которая
обеспечивает наилучшие условия для проявления и осуществления тех сторон об-
мена веществ, совокупность которых приводит к максимальному накоплению в
растении того или иного вещества: сахарозы, крахмала, белка, масла и т. д.
Тот или иной сорт, созданный селекционером путем направленного изменения
природы растений и последующего отбора наиболее ценных организмов для их
дальнейшего массового размножения, будет проявлять в полной мере свои ценные
«хозяйственные» качества — высокую урожайность, сахаристость, масличность
и т. д. — только лишь при определенных агротехнических мероприятиях, обес-
печивающих наилучшие условия для роста и развития растений. Таким образом,
ценные «хозяйственные» качества сорта могут проявиться только лишь в опреде-
ленных условиях жизни, в определенных условиях внешней среды, при определен-
ном сочетании различных агротехнических приемов.
408
Определенным признакам и свойствам организмов соответствуют строго оп-
ределенные условия жизни, необходимые для развития и проявления данного
признака или свойства.
Цель современной биохимии — выяснение закономерностей обмена веществ и
его неразрывной связи с условиями жизни организма для управления обменом ве-
ществ и изменения организмов в желательном для человека направлении.
ЛИТЕРАТУРА
Анфинсен К» Молекулярные основы эволюции. М., 1962.
Благовещенский А. В. Биохимические основы эволюционного процесса у растений.
М., 1950.
Жакоб Ф. и Моно Ж- Биохимические и генетические механизмы регуляции в бакте-
риальной клетке. В кн.: Молекулярная биология. Проблемы и перспективы. М., 1964, с. 14.
Иванов С, Л. Климаты земного шара и химическая деятельность растений. — Ж.
прикл. химии, 1928, т. 1, вып. 6, с. 299.
Курсанов А. Л. Транспорт ассимилятов в растении. М., 1976.
Метлицкий Л. В. Основы биохимии плодов и овощей. М., 1976.
Опарин А. И. Ферменты в жизненном цикле растений. —Юб. сб.» поев, тридцатиле-
тию Великой Октябрьской социалистической революции. М., 1947.
Плешков Б. П. Биохимия сельскохозяйственных растений. М., 1975.
Строгонов Б. П. Метаболизм растений в условиях засоления. М., 1973.
Уотсон Дою. Молекулярная биология гена. М., 1979.
Cohen G. Le Metabolisme Cellulaire et sa Regulation. Hermann Ed., Paris, 1975.
Marcus A. Enzyme Induction in Plants. «Annual Rev. Plant Physiol.», 22, 313, 1971.
Mothes K. Chemische Muster und Entwicklung in der Pflanzenwelt. «Naturwissenschaften»,
52, 571, 1965.
Nelson Jr. О. E. a. Burr B. Biochemical Genetics of Higher Plants. «Annual Rev. Plant
Physiol.», 24, 493, 1973.
Strobel G. A. Phytotoxins Produced by Plant Parasites. «Annual Rev. Plant Physiol.»,
25, 541, 1974.
Swain T.t editor. Chemical Plant Taxonomy, Academic Press, New York, 1966.
Umbarger H. E. Intracellular Regulatory Mechanisms. «Science», 145, 674, 1964.
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
Абиетиновая кислота 315, 316
Абрин 52
Абсцизовая кислота 335, 336
Авенин 51
Авидин 79, 8b
Авикулярин 299
Авитаминоз Вг 86
- В6 76
Авитаминозы 68, 391
Автоматические анализаторы аминокислот 24
Автотрофы 285, 287
Агар-агар 151, 162, 181
Аг ар-агаровый студень 181
Агароза 181
Агароид 181
Агароидин 181
Агаропектин 181
Агликон амигдалина 308, 309
— флоридзина 299
Агликоны антоцианов 298
— гликоалкалоидов 256, 309, 310
— гликозидов 101, 158, 308, 311
— стероидной природы 309—311
— флаванонов 297
— флавонов 298
— флавонолов 299
Адаптивные ферменты 401
Аденилатциклаза 57, 58
Адениловая кислота 56—58, 75, 121, 372
Аденин 54, 56, 60, 61, 63, 82, 213, 360, 368,
373
S-Аденозилметионин 193, 389—392
Аденозин 56, 57
Аденозин дифосф ат (аденозиндифосфорная
кислота, ADP) 9, 57, 58, 120—122, 149,
184, 186, 207—211, 221, 277, 278, 322,
354, 355, 373, 380
Ад ено зин-З', 5'-дифосфат 78, 260
Аденозиндифосфатглюкоза (АОРглюкоза)
126, 186, 265
Аденозинмонофосфат (аденозинмонофос-
форная кислота, АМР) 57, 58, 122, 149,
365, 366
Аденозин-5'-монофосфат 56
Аденозинтрифосфат (аденозинтрифосфор-
ная кислота, АТР) 9, 57, 58, 120—122,
130, 148, 149, 184, 188, 192, 207—214,
220—222, 241, 259, 260, 263, 275—280,
283, 303, 305, 322, 337, 354, 355, 359, 360,
365—372, 380, 383
— митохондрий 220
Аденозинтрифосфатаза (АТР аз а) 105, 120
407
АТРазный комплекс митохондрий 221
— — хлоропластов 278
АТР-синтетаза 221, 278
АТР-сульфурилаза 360
Аденозин-5'-фофосульфат (APS) 360
Аденозинфосфосульфаткиназа 360
Адсорбционная хроматография 252
Азид натрия 354
Азотистая кислота 197
Азотистое питание 237, 329, 355—358, 378 —
382, 393, 397, 400
Азотистое питание растений микоризных 355
— — — насекомоядных 355
— — — паразитов 355, 356
Азотистые гетероциклы 289, 324, 325, 387,
388
— основания 56, 61, 63, 75, ПО, 127, 249,
251, 264, 343
— экстрактивные вещества 18
Азотная кислота 197, 284
Азотсодержащие дисахариды 343
Азотфиксаторы 117, 182, 352—365
Азотфиксация 353—355
Азоферредоксин 354
Аквокобаламин 82
Аконитат-гидратаза 213, 214
Аконитовая кислота 229
Активаторы протеиназ 375
— роста 294
— ферментов 15, 103—105
Активирование D-аланина 365
— аминокислот 365, 366
— D-аминокислот 365
— L-аминокислот 365
— зимогенов 140
— папаина 140
— протеиназ типа папаина 141
— ферментов 103—105
Активированные аминокислоты 365, 366,
368, 369
Активность ферментов 36, 38, 42
— — влияние условий внешней среды 401
— — каталитическая 97
— — — молярная 97
— — — удельная 97
Активный ацетил 255, 259, 397, 399
— центр ферментов 96, 104, 105
— — химотрипсина 96
Актиномицин D 345, 346
410
Акцепторы водорода 106, 107, 111, 114, 116,
118
— электронов 116, 277
Аланилаланин 34
Аланилглициллейцин 34
Аланилглицин 34
Аланил-тРНК — синтетаза 149
Аланин 32—34, 40, 123, 149, 235, 279, 334,
352, 357, 359, 368, 375, 397—399
D-Аланин 25, 365
D(—)-Аланин 25
L-Аланин 25, 27
L(-|-)-Аланин 25
а-Аланин 24, 27, 359, 386
р-Аланин 27, 77, 336, 358, 386
Аланиндегидрогеназа 359
Аланин — транспортная РНК 62, 149
Аланиновая транспортная РНК 61, 62
Ализарин 300
Алифатические альдегиды 313
— кетоны 313
— кислоты 225, 235, 294
— монотерпены 312
— сесквитерпены 315
— терпены 312
— углеводороды 312
Алкалоиды 12, 289, 324—330, 344, 387, 388,
399, 400
— влияние условий внешней среды 400
— спорыньи 25, 326, 327
— опия 326, 327
— табака 324—327
Алкогольдегидрогеназа 95, 107, 209, 212
Аллантойказа 384
Аллантоин 113, 384
Аллантоиназа 384
Аллантоиновая кислота 384
Аллиин 347
Аллиин-лиаза 347
Аллицин 347
Аллостерическая регуляция ферментов 403
Аллостерические ферменты 105
Аллостерический центр ферментов 105
Альбумины 50, 97
Альгиновая кислота 181
Альдегид гиббереллина А12 333
Альдегид-дегидрогеназа 263, 264
Альдегидокислоты 226
Альдегиды 24, 247, 388, 399
Альдогексозы 153
Альдозы 152, 155
Альдолаза 144, 146, 147, 183, 190, 191, 207,
211, 259, 275, 280
Альдопентозы 163
Альдотриозы 152
а-Аманитин 36
Амигдалин 132, 168, 308, 309
Амид кислоты аспарагиновой 334
— — глютаминовой 334
— — у-метиленглютаминовой 30
— — никотиновой 59, 76, 77, 99, 107, 329,
391, 398
Амидазы 128
Амидирование кислоты аспарагиновой 380
— — глютаминовой 380
Амиды аминокислот 32, 144, 279, 378—381
Амилаза 10, 15, 167, 174, 401
а-Амилаза 50, 134—136, 188, 333, 336
3-Амилаза 134—136, 188
Амилазы 133—135, 186, 191
а-Амил азы 191
р-Амил азы 191
Амиловый спирт 198
Амилодекстрины 174
Амилоза 134, 172 — 174, 186, 406, 408
Амилопектин 134, 172—174, 176, 186, 406,
408
Аминогруппы 22—24, 30, 34, 37, 39, 45,
46, 161, 162
а-Аминогруппы 138
Аминирование кетокислот 304, 359, 375,
378, 391
— кислоты а-кетоглютаровой 380, 397
— — пировиноградной 397
— — щавелевоуксусной 397
L-a-Аминоадипиновая кислота 30
Аминоациладенилат 365
Амино ацилы 366
2-Амино-D-а-глюкопираноза 162
a-Аминоглютаровая кислота 30
a-Амино-б-гуанидил-н-валериановая кис-
лота 30
a-Аминоизовалериановая кислота 27
a-Аминоизокапроновая кислота 27
а-Амино-0-имидазолилпропионовая кисло-
та 32
a-Амино-Р-индолилпропионовая кислота 32
а-Амино-«-капроновая кислота 27
Аминокислотный состав белков 32—34, 42
Аминокислоты 22—26, 32—35, 45, 86, 123—
125, 234, 279, 326, 327, 331, 351—359,
374—378, 396—399
— реакция с альдегидами 24
D-Аминокислоты 25, 26, 377
L-Аминокислоты 25, 26, 377
а-Аминокислоты 22, 23, 24, 32
Р-Амино кислоты 32
у-Аминокислоты 32
Аминоксид аз а 388
6-Аминолевулинат-дегидратаза 272
6-Аминолевулинат-синтетаза 272, 273
6-Аминолевулиновая кислота 272, 273
у-Аминомасляная кислота 32, 354, 386
Аминомасляный альдегид 388
a-Амино-у-метилтиол-н-масляная кислота 29
а-Амино-р-оксимасляная кислота 28
a-Амино-у-оксимасляная кислота 28
2-Амино-4-окси-6-метилптерин 80
a-Амино-Р-оксипропионовая кислота 27
2-Амино-6-оксипурин 54
a-Амино-Р-оксифенилпропионовая кисло-
та 29
Аминопептидазы 138
Аминополипептидазы 375
а-Аминопропионовая кислота 27
6-Аминопурин 54
Аминосахара 162
Аминоспирты 326, 327
a-Амино-Р-тиопропионовая кислота 28
Аминотрансферазы 123, 124, 336, 391, 398,
403
Аминоуксусная кислота 26
a-Амино-Р-фенилпропионовая кислота 29
411
а-Амино-Р-этил-Р-метилкапроновая кислота
27
Аминоэтиловый спирт 124, 389
Аминоянтарная кислота 29
Амины 145, 146, 352, 384—389, 396, 399
Аммиак 351—359, 362, 375—378, 380, 382,
397
Аммоний-лиазы 304
Аммонийная соль карбаминовой кислоты 352
Аммонийные растения 378
Аммонийные (аммиачные) соли 237, 357 —
359, 378—382, 402
Аммонификация 351, 352, 357
— мочевины 352
Аммонификаторы 351
Амфотерные электролиты 23, 45
Анабазин 325, 326, 328, 329
Аналог аргинина 340
— кислоты никотиновой 85
— — пара-аминобензойной 84, 85
— тиамина 85
Аналоги аденозинтрифосфата 122
— биотина 86
— витамина В12 82
-----С 86
-----Е 86
-----К 86
— витаминов 84, 86, 88 '
— гетеро ауксин а 335
— кислоты пантотеновой 85
— — пентагаллоилхинной 301
— — фолиевой 86
— пиридоксина 86
— пиримидина 88
— рибофлавина 86
— тиазола 88
Анаэробиоз 195, 206, 209, 220, 229, 260,
320, 352
Анаэробная диссимиляция сахаров 197
— — углеводов 197, 198, 209, 259, 397
Анаэробное дыхание 108, 204, 205, 210,
216, 217, 221, 226
— превращение глюкозы 212
— расщепление глюкозы 215, 264
— — углеводов 207
Анаэробные азотфиксаторы 352, 354
— дегидрогеназы 107 —110, 217
Анаэробы 117, 199, 200
3,6-Ангидро-Ь-галактоза 181
Аневрин 73
Анемия 80, 81
Антагонизм микроорганизмов 340
Антагонисты гиббереллинов 336
Антераксантин 253
Антибактериальные вещества 346, 347
Антибиотики 36, 289, 330, 337, 340, 343—347
— актиномицетов 342, 344—346
— лишайников 347, 348
— макролиды 344
— полипептиды 344
— циклопептиды 343
Антивитамины 84—86, 337, 340
— белковой природы 86
Антигеморрагические факторы 73
Антикодоны 369
- тРНК 369
Антикристаллизаторы сахаров 30
Антиметаболиты гиббереллинов 336
Антимицин 346
Антиокислители 72, 247
Антиоксиданты 307
Антицинготный витамин 83
Антоцианидины 298, 305
Антоцианиды 297
Антоциановые гликозиды 298
— пигменты 297, 298
Антоцианы 296—298
Антрахиноновый краситель 300
Антрахиноны 305
Апигенин 298
Апиин 163
D-Апиоза 163, 164
Апираза 130
Апофермент 98, 100
Арабаны 137, 178, 180, 189
Арабиногалактан 178 —
Арабиноза 148, 159, 161, 163, 178 — 180,
183, 184, 190, 232, 251, 299, 311
L-Арабиноза 159, 163, 184
Р-Ь-Арабинозо-1-фосфат 184
L-Арабинокиназа 184
Арабокетоза 127
Арабоновая кислота 232
Арабофураноза 179
Арахаин 143
Арахиновая кислота 244, 248
Арбутин 132, 186, 292
Арвенсин 143
Аргиназа 30, 102, 144, 362, 382
Аргинин 30—33, 51, 340, 343, 362, 368, 375,
382, 383
D-Аргинин 144
L-Аргинин 30, 144
Аргининфосфат 57
Аргининянтарная кислота 383
Ароматические альдегиды 302, 303
— аминокислоты 291
— кислоты 128
Ароматическое кольцо 292, 295
Асимметрические соединения 11
Асимметрический синтез 11
Асимметрия аминокислот 26
— белков 26
Асклепаин 141
Аскорбиген 84
Аскорбинатоксидаза 100, ИЗ, 217, 218
Аскорбиновая кислота 82—84, ИЗ, 132,
193, 217, 218, 228
L-Аскорбиновая кислота 83, 194, 241
Аспарагин 27, 29, 30, 32, 123, 143, 279,
354—357, 368, 378—383, 390, 397, 398
D-Аспарагин 26
L-Аспарагин 26
Аспарагиназа 143, 144
Аспарагиновая кислота 27, 29, 30, 32, 33,
39, 123, 143, 146, 234, 235, 279, 283, 286,
329, 334, 343, 357, 368, 371, 372, 375,
377, 380—383, 386, 392, 397, 398
D-Аспарагиновая кислота 25
L-Аспарагиновая кислота 29
Аспарагиновые растения 379
Аспарагинсинтетаза 148
Аспарагозин 175
Аспартатаминотрансфераза 123
412
Аспартат — аммиак-лиаза 146, 235, 359,
380, 397
Ассимиляция (усвоение) азота 356
— — атмосферного 351—356
— азотистых соединений неорганических
356
---— органических 355, 356, 374, 393
— аминокислот 357, 358
— аммиака 354, 356, 357, 359
— амМиачных солей 357
— белков 395
— нитратов 356, 357
— нитритов 357, 358
— органических соединений 8, 9
— углекислого газа 8, 197, 268, 270, 283,
286, 287
Астрагалин 299
Атакуемость белков протеиназами 143
— крахмала 134
Атропин 324, 387
Ауксины 330, 392, 399
Аукубин 311
Ауреомицин 344, 345
Аффинная колоночная хроматография 49, 50
Ахроодекстрины 174
Ацетальдегид 108, 145, 190, 198, 206, 209,
230 259
Ацетат 215, 216, 233, 234, 239, 266, 305, 328
— натрия 402
Ацетатно-малонатный путь биосинтеза фе-
нольных соединений 303, 305
Ацетил 78, 162, 170, 212, 213, 216, 255, 257,
263, 266, 318, 319, 392, 397
N-Ацетилглюкозамин 52
Ацетилен 354
Ацетилирование 213
— полисахаридов 170
Ацетилкофермент А (ацетилкоэнзим А, аце-
тил-СоА) 57, 148, 212—214, 216, 221, 230,
239, 241, 259—265, 282, 286, 305, 316,
320, . 397. 398
Ацетил-СоА — карбоксилаза 260, 305
Ацетилкоэнзим А — синтетаза 148Р 213
N-Ацетилорнитин 383
d-N-Ацетилорнитин 30
Ацетилфосфат 122, 354
N-Ацетильное производное глютаминовой
кислоты 383
Ацетильные производные 162
— — полисахаридов 170
Ацетон 302, 313, 317
Ацетондикарбоновая кислота 387
Ацетоноэтиловое брожение 200
а-Ацетооксимасляная кислота 403
Ацетоуксусная кислота 388
Ациклические каротиноиды 320
Ацилирование 213
Ацилированные антоцианы 298
Ацилирующий агент 213
Ацилкофермент А 262, 263
Ацилмеркаптан 208
Ацилы 77, 78, 148, 213
Аэробиоз 209, 260, 266, 351, 382
Аэробная диссимиляция сахаров 197
— — углеводов 209
Аэробное брожение 205
— дыхание 108, 201—206, 209, 212, 215, 216,
221
— окисление пировиноградной кислоты 212
— расщепление углеводов 207
Аэробные азотфиксаторы 352, 354
— дегидрогеназы 107, 109, 111
Аэробы 117
Бактериородопсин 283
Бактериохлорофилл 270—272, 275, 282, 283
Бактериохлорофилл а 269, 270
Бальзамы 315
Бегеновая кислота 244, 248
Белки 21—23, 28, 30—34, 36, 38, 40—45,
48, 50, 98, 279, 288, 331, 351, 352, 355,
358, 381, 393, 396, 398, 408
— бактериофагов 364
— вирусов 363, 364
— влияние условий внешней среды 399, 400
— митохондрий 219
— роль при дыхании 223, 224
— ферменты 363, 371
— хлоропластов 273, 275
Белковое питание 394
Белково-липидные мембраны 9, 105
Белковые вещества, см. Белки
— осадители 22, 103
— растворы 46—48
— субъединицы 41, 42
— факторы биосинтеза белков 369, 371
-------РНК 373
— — инициации биосинтеза белков 369
— — терминации биосинтеза белков 369,
371
— — элонгации биосинтеза белков 369, 371
Белок-переносчик ацильных радикалов
(АСР) 260
Бензальдегид 308
Бензил 341
Бензин 234, 247
Бензоил-L- аргинин 140
Бензоилглицин 362
Бензоилтирозйлглицинамид 125
Бензоилуксусная кислота 387
Бензойная кислота 213, 348
Бензоксазолинон 348
Бензол 243, 292, 295, 317
Бензохинон 279
Бергаптол 295
Бёри-бёри 68, 69, 73
Бетаины 390, 392
Биксин 254
Билипротеины 271
Биологическая фиксация азота 355
— химия, см. Биохимия
Биологические мембраны 243, 250, 256
Биологическое окисление 220
Биомицин 344
Биоорганическая химия 4, 7
Биополимеры 54
Биос 336
Биосинтез аденозинтрифосфата 105, 277, 278
— — митохондрий 220, 221
— аланина 226, 359
— алкалоидов 12, 13, 124, 327—329, 362,
367-389, 399
— — пиперидиновых 388
413
Биссинтез алкалоидов пирролидиновых 388
— амидов 358, 380, 384, 395
— а-амилазы 333
— амилозы 11
— амилопектина 11
— аминокислот 12, 33, 80, 228, 358—361,
374, 375, 379, 385, 392, 395
— — ароматических 291
— — серусодержащих 360
— — циклических 361
— антоцианидинов 305
— антрахинонов 305
— арбутина 186
— аспарагина 148, 226, 380, 384, 397
— белков 9, 11, 13, 54, 57, 63, 64, 66, 149»
278, 335, 336, 343, 344, 356, 358, 362—369,
371, 374, 378, 379, 381, 382, 386, 394 —
397, 399
— — бактериофагов 364
— — специфических 363, 364, 366, 368
— — ферментов 363
— бактериохлорофилла 272
— витамина Bj 88
---Во 88
---Bj2 81
---Е 319
___ _ К 319 397
— витаминов 13, 68, 79, 80, 86, 88
— восстановленного глютатиона 148
— — никотинамидадениндинуклеотидфос-
фата 277, 278
— высокоэнергетических соединений 122
— гексоз 190
— гемицеллюлоз 192—194
— геранилпирофосфата 323
— гераниола 324
— гиббереллинов 331—333
— гистидина 80
— гликогена 11
— гликозидов 132, 185, 186
— — сердечных 323
— глицеридов 77, 128, 259
— глицерина 396
— глюкозидов 96, 97, 101
— а-глюкозидов 132
— глюкозы 264
— глютамина 148, 226, 359, 380, 384, 394
— горденина 389
— гормонов животных 323
— гутты 318, 319
— декстрана 194
— дисахаридов 132
— железопорфиринов 272
— жиров 11, 13, 76, 128, 228, 258, 259, 397,
399
— изолейцина 401—403
— каллозы 186
— каротиноидов 318^ 319, 397, 399
— каучука 99, 213, 318, 319, 324, 397, 399
— кверцетинмоноглюкуронида 186
— кислот дезоксирибонуклеиновых 9, 335
346, 371, 374
— — жирных 77, 99, 213, 226, 241, 258 —
260, 286
— — — насыщенных 259, 260
— — — ненасыщенных 260
Биосинтез кислот нуклеиновых 9, 11,97, 278.
371, 372, 374
--органических 17, 228, 230, 234—239,
397
— — рибонуклеиновых 9, 335, 336, 338,
345, 371, 373
— — — информационных 333, 366, 367,
373
— — — матричных 402
— — — рибосомальных 373
— — — транспортных 338
— кислоты 6-аминолевулиновой 272
— — аскорбиновой 82, 163, 193
— — аспарагиновой 226, 227, 359, 380, 381
— — глютаминовой 226, 359, 380, 381
— — изолимонной 216
— — индолилуксусной 330
— — карбаминовой 383
— — а-кетоглютаровой 282
— — кодзиевой 233
— — лимонной 77, 99, 213, 229, 230, 238 —
240
— — метадигалловой 129
— — никотиновой 77
— — олеиновой 260
— — пальмитиновой 260
— — пипеколиновой 361
— — пировиноградной 282
— — стеариновой 258, 260
— — фумаровой 229, 230
— — щавелевой 233, 234, 240
— — щавелевоуксусной 149, 237
— — яблочной 229, 230, 240 ч
— — янтарной 229, 230
— клетчатки 192, 194
— крахмала 126, 130, 183, 186, 187, 194,
268, 278, 401
— лактозы 11
— левулёзанов 194
— лецитинов 265, 266
— лигнина 12, 124, 295, 303
— липидов 261, 278
— лобеланина 387
— малонилкофермента А 259, 260
— маннана 194
— метилглюкозидов 96
— метилированных производных инозита
124
— метионина 29, 80, 82, 360
— мио-инозита 289
— мочевины 16, 30, 382—384
— никотина 389
— норгигрина 388
— нуклеотидов 371, 372
— оксипролина 361
— олигосахаридов 194
— пектина 194
— пектиновых веществ 124, 190, 192, 193
— пентоз 190
— пентозанов 190
— пептидов 125
— пигментов 278
— пиримидиновых оснований 80
— пластохинонов 319, 397
— полинуклеотидов 372
— полипептидов 97, 125, 365, 368, 369, 371
— полирибонуклеотидов 374
414
Биосинтез полисахаридов 11, 58, 97. 132
194
— — клеточных стенок 192
— порфиринов 272
— пролина 361
— протопорфирина 272, 273
— пуриновых оснований 80
— рафинозы 11, 186, 194
— рибофлавина 89
— сахаров 58
— сахарозо-6-фосфата 185
— сахарозы 11, 126, 183—185, 194, 401,
407
— серина 80
— сквалена 324
— сложных эфиров 127
— соединений азотистых 385, 387
— — органических 6, 8 — 13, 86, 148, 197,
283—287
— —фенольных 12, 291, 303—306
— а-соланина 310
— стероидов 319, 321, 396
— стеролов 77, 99, 213, 257, 266
— терпенов 213, 316, 318, 319, 397
— терпеноидов 12, 255, 257, 316, 318, 319 —
324, 331, 332, 397
— — хлоропластов 323
— тиамина 87
— трегалозы 185, 194
— триптофана 76, 77, 385, 386, 401
— трисахаридов 132
— тритерпенов 321
— тропинона 387
— убихинонов 319, 397
— углеводов 13, 228, 263
— фарнезола 324
— ферментов 54, 329, 333, 336, 402—405
— фитоина 324
— фитола 319
— флавинадениндинуклеотида 110
— флавоноидов 12, 299, 305, 306
— фосфатидов 58
— фосфолипидов 264—266
— фрукт озодифосфата 146
— фруктозы 264
— хитина 194
— хлорофилла 129, 272
— холина 124
— цитруллина 383
— эти л глюкоз и до в 96
Биотин 78, 79, 86, 149, 259, 260, 286, 336
Биохимическая генетика 407
Биохимия 4—19, 407, 409
— виноделия 12, 14
— животных 7
— зерна 12, 14, 19
— микробов 7
— растений 7, 12—18
— табака 17, 19
— чая 12, 14, 19
Бисульфат калия 129
Биуретовая реакция 22
Бициклические монотерпены 314
— полипептиды 36
— терпены 314
Бланшировка овощей 84
Борнеол 314, 315
Брожение 8—10, 14, 17, 19, 57, 120, 121,
147, 197—209, 221—223, 354, 355, 365,
397
— клетчатки 200
— пектиновых веществ 200
Бромелаин 141
Бутиловый спирт 198
Буферные вещества 23
Вазопрессин 36
Валериановая кислота 128
Валериановокислый эфир линалоола 313
Валин 27, 32, 33, 40, 327, 343, 345, 368, 376
L-Валин 27
Ванилин 101, 293, 302, 303, 308
Ванилиновая кислота 292, 293
Ванилиновый альдегид 293
Взаимопревращения аминокислот 360 —362
— витамина С 82, 83
— гексозофосфатов 184
— глюкозофосфатов 122, 123
— глютатиона 83
— кислот органических 239
— — уроновых 184
— моносахаридов 154, 155, 159, 183, 184,
190, 191
— сахаров 154
— углеводов 183, 189
— фосфорных эфиров сахаров 147, 148
Винная кислота 201, 227, 239, 241
D-Винная кислота 227 —
DL-Винная кислота 227
Винный камень 227
Виноградная кислота 227
Виноградный сахар 162
Вироиды 66
Вирусология 16
Вирусы 16, 64—66, 363, 364
Витализм 6, 9—11
Вителлин 28, 51
Витамин А 70, 71, 254, 283, 313, 315
— Ах 70
— А2 70
— Bt 73—75, 86—88, 99, 145, 336
— В2 75, 109
— В6 76, 77, 86, 99, 123, 387
— В12 81, 82
— С 82, 83, 163, 309, 400
— D 71
— D2 71
- D, 71
— D4 71
— Е 72, 73, 247, 255, 319
— Н 78
— К 255, 319
— Ki 73, 275
— Р 81
— РР 32, 76, 99, 107, 399
P-Витаминное действие катехинов 297, 302
— — флавоноидов 296
Витаминология 69
Витаминоподобные вещества 381, 390
Витамины 14, 15, 19, 59, 68, 69, 84, 86—
89, 99, 109, 163, 288, 290, 391, 392, 398,
399
415
Витамины группы А 69, 70, 255
---- В 124 -
----D 71, 72, 256, 257
----К 73
— микроорганизмов 358
Вицилин 52
Влияние условий внешней среды 400
Внехромосомная ДНК 64
Водорастворимые витамины 69, 73, 75, 76,
79
Водородные связи белков 38—43
----ДНК 63, 64
— — клетчатки 177, 178
— — нуклеопротеидов 64
----РНК 64
Водородокисляющие микроорганизмы 283,
285
Волемит 164
Воска 243, 248, 266
Восковой налет 248
Восстанавливающие дисахариды 166—168
— сахара 161, 166
— — реакция с аминокислотами 24
— — — с белками 24
Восстановительное аминирование кетокис-
лот 375, 391
— дезаминирование аминокислот 351
Восстановление азида натрия 354
— азота 354
— аминокислот 352
— ацетальдегида 209, 211, 398
— ацетилена 354
— белков 143
— гексоз 223
— глицеринового альдегида 259
— закиси азота 354
— имино кислот 359
— кетокислот 376
— кислоты пировиноградной 108, 211, 212
—- — фосфоглицериновой 278
— — щавелевоуксусной 240, 286
— ксилозы 163
— D-манногептулозы 164
— нитритов 100, 358, 359
— нитритов 358, 359
— полифенолов 113
— D-рибозы 75
— D-седо гептулозы 164
— сульфатов 360
— сульфитов 360 -
— углекислого газа 268, 275, 283—285
— фелинговой жидкости 161, 166—169
— фенольных соединений 306
— флавоноидов 306
— хинонов 113, 306
Восстановленные дегидрогеназы 114
— — анаэробные 109, ПО
— — пиридиновые 114, 116
— — флавиновые И4, 116
— пиридиннуклеотиды 109
— флавиновые ферменты 111
— цитохромы 115, 116, 118
Восстановленный глютатион 35, 36, 83, 103,
132, 141, 217, 218
— дифосфопиридиннуклеотид 107
— никотинамидадениндинуклеотид (NADH)
107—109, 208, 209, 212, 263, 278, 289, 359
— никотинамидадениндинуклеотидфосфат
(NADPH) 109, 195, 218, 221, 222, 260,
261, 275, 277-281, 286, 322, 360
— папаин 141
— ферредоксин 282
— флавин 109
— флавинадениндинуклеотид (FADH2) 263
Вредный азот 390
Вспомогательные пигменты 255, 276, 279
Вторичная структура белка- 41—43
-----РНК 62
-----тРНК 62
Вторичное образование аминокислот 374,
375
Вторичные спирты монотерпеновые 315
— — терпеновые 47—50 .
Выделение белков 47—50
— глобулинов 50
— ферментов 49, 50, 95
Высаливание альбуминов 50
— белков 46
Высокомолекулярные декстрины 134, 135
— кислоты жирные 128, 172, 213, 244, 248,
259, 262, 397
— — нуклеиновые 59
— — рибонуклеиновые 364, 365
— полисахариды 159, 162, 163, 170, 178,
181, 187
— полифосфаты 122
— полифру ктозиды 175
— спирты 248, 266
— углеводы 170, 174, 180
Высокоэнергетические связи 57, 58, 120—
122, 207, 208, 212, 213, 221, 278, 283, 380
— соединения 57, 58, 121, 122, 265, 285, 383
Газовая хроматография 252
Галактаны 137, 178, 180
Галактаровая кислота 161
Галактит 165
Галактоза 58, 132, 161, 162, 165—167, 169,
178, 180, 183, 184, 186, 193, 250, 251, 259,
299, 310, 311
D-Галактоза 153, 160, 162, 181, 188
D(Галактоза 153
а-Галактоза 169
Галактозамин 152
а-Галактозидаз а 132, 169
Р-Галактозидаза 132, 199
Р-Галактоз и до глюкоз а 167
а-Гал-актозиды 132, 133, 407
Галактозилглицериды 275
Гал а кто зо фосфат 193
Галактозо-1-фосфат 127, 184
а-D-Галактозо-!-фосфат 184
Галактокиназа 184
D-Галактокиназа 184
Галактолипиды 246, 259
Галактопираноза 167, 178, 181
D-Галактопираноза 181
а-Галактопираноза 132, 133, 169
Гал акту роновая кислота 161, 178, 179, 189,
193, 289
D-Галактуроновая кислота 190, 192, 193, 289
Галловая кислота 129, 292, 293, 296, 300,
301, 305
416
Галловые дубильные вещества 300 , 301
(+)-Галлокатехин 296
Галлокатехингаллаты 296
Галлотаннин 300, 301
Гамамелоза 301
Гексагидробензол 289
Гексакозанол 248
н-Гексакозанол 248
Д2-Гексен ал 347
Гексозодифосфаты 120
Гексозомонофосфаты 110, 120
Гексозофосфаты 120, 127
Гексозофосфорные эфиры 183
Гексозы 120, 151, 160, 161, 164, 165, 183,
190, 191, 216, 222, 259, 261, 268
Гексокиназа 120, 184, 188, 207, 211, 212
Гексоновые основания 30
Гели 46
Гельминтоспораль 349
Гельминтоспорозид 407
Гель-фильтрация белков 50
Гем 16, 42, 52, 114, 115, 270, 272
Гематин 99, 100, 116, 118
Геминовое железо 275
Гемицеллюлазы 136, 191, 192
Гемицеллюлозы 150, 151, 162, 163, 178, 179,
187, 191—193, 302
Гемоглобин 32, 42, 45, 52, 272, 353
Гемолиз 311
Гемоцианин 52
Ген-оператор 403—405
Ген-регулятор 404, 405
Генетическая информация 54
Генетический код 366, 368
— контроль биосинтеза ферментов 403—405
Гентиобиоза 101, 132, 168, 254, 308, 309
Гептакозан 248
н-Гептил 341
Гептозы 151, 164, 191
Геранилгеранилпирофосфат 320, 322, 323,
333
Геранилпирофосфат 320, 322, 323, 333
Гераниол 312, 313, 320, 324
Гербициды 330, 337—339
Гесперетин 297
Гесперидии 81, 297
Гетеро ауксин 335
Гетерогенный катализ 91
Гетерополисахариды 178
Гетеротрофная фиксация углекислого газа
237, 239, 286, 287
Гетеротрофы 285—287
Гетероферментативное молочнокислое бро-
жение 199, 200
Гетероциклические аминокислоты 31
— соединения ПО, 155, 289, 295, 298, 324
Гетероциклическое кольцо 295
Гиббереллины 288, 331—337
Гибберелловая кислота 332
Гибридизация растений 407, 408
Гиднокарповая кислота 245
Гидразин 353
Гидратация белков 46
Гидратная форма глюкозы 157
Гидроароматические кислоты 294
— соединения 288—290
Гидрогеназа 283, 354
14—596
Гидрогенизация жиров 246
Гидрогенизированные масла 246
Гидролазы 105, 106, 127, 130, 138, 144
— фосфодиэфиров 130
— фосфомоноэфиров 130
Гидролиз 127
— алкалоидов спорыньи 327
— аргинина 102, 144
— аскорбигена 84
— аспарагина 143
— белков 22, 32, 33, 35, 47, 105, 137—140,
351, 362, 374, 375, 379, 380, 399
—галактозо-1-фосфата 184
— гемицеллюлоз 136, 178, 179, 191, 192
— гентиобиозы 168
— гликогена 135
— гликозидов 105, 132, 160, 308
— глицерофосфата 130
— глюкованилина 308
— глюкозидов 101
— а-глюкозидов 308 .
— Р-глюкозидов 101, 102, 308
— глюкозо-1-фосфата 130, 184
— глюкозо-6-фосфата 130, 184
— глютамина 143
— декстранов 182
— декстринов 134
— дипептидов 137, 138
— дисахаридов 132, 165—167, 308
— желатины 31
— жиров 128, 223, 261, 264
— иминокислот 376
— инулина 136, 174, 175, 191
— кефалинов 249
— кислот дезоксирибонуклеиновых 130
— — нуклеиновых 54, 56, 105, 130
— кислоты полигалактуроновой 137
— — щавелевоуксусной 234
— клетчатки 136, 176, 178
— крахмала 133, 135, 136, 167, 172, 174,
191, 401
— ксиланов 136, 137
— лактозы 132, 167, 199
— левана 187
— лецитинов 249, 390
— липидов 105
— лихенина 176
— мальтозы 132, 166, 167, 308
— метилпентозанов 179
— мочевины 100, 382
— органических соединений 105, 106
— пектиновых веществ 129, 137, 181
— пептидов 137—140
— полипептидов 35, 137—139
— полисахаридов 105, 132, 162, 172, 175
— — высокомолекулярных 170, 187, 191
— полифру ктозидов 175
— проламинов 51
— рафинозы 133, 169, 308
— сапонинов 311
— сахарозы 92, 94, 127, 132, 166, 167, 222
— связей пептидных 137—139
— — тиоэфирных 213
— — фосфатных 120, 121
— — — высокоэнергетических 57, 120
— — — низкоэнергетических 121
— слизей 160, 180
417
Гидролиз таннина 128
— тиогликозидов 129
— тиоэфиров 129
— трегалозы 166, 168, 308
— трисахаридов 132
— фосфатидил холин а 130
— фосфатидов 264
— фосфолипидов 264
— фру ктозо-1,6-дифосфата 130
' — фруктозо-6-фосфата 130, 184
— хитина 162
— целлобиозы 166, 308
— эфиров фосфорной кислоты 105, 130
Гидролизаты белков 355, 356
Гидролизуемые дубильные вещества 293,
300, 301
Гидролитические ферменты 105, 127
Гидролитическое дезаминирование 351
— — аминокислот 351
Гидроксилаза коричной кислоты 304
Гидроксилирование олеиновой кислоты 261
—• стероидов 117
Гидроксилированные производные кумарина
Гидроксилирующие ферменты 304
Гидроперекиси 119
Гидрофильность белков 46, 47
Гидрофобные взаимодействия белков 39, 40,
42
Гидрохиноны 186, 217, 292, 329
Гиосциамин 328
Гиперин 299
Гиперхромный эффект ДНК 64
Гиповитаминозы 68
Гипоксантин 55, 111, 373, 384
Гипоксантингидрат 111
Гистамин 146, 386
Гистидин 30, 32, 33, 39, 51, 115, 146, 278,
362, 368, 386
L-Гистидин 26, 32
Гистоны 51, 64, 404
Глиадин 44—46, 51, 381
Гликоалкалоиды 256, 309, 310, 325
Гликоген 125, 126, 150, 151, 162, 176, 195,
207, 211
Гликогеназа 134
Гликозид кроцина 254
Гликозидазы 185
Гликозидные гидроксилы 158, 165—168
— связи 52, 174, 176, 178, 181, 182, 308
а-Гликозидные связи 181
P-Гликозидные связи 181, 182
5-Гликозидо-З-рамногликозид 298
Гликозиды 81, 158, 163, 165, 168, 185, 186,
288, 289, 308—311, 331
— влияние условий внешней среды 400
— катехинов 296
— цианидина 298
— эфирных масел 312
З-Гликозиды кверцетина 299
а-Гликозиды 308
р-Гликозиды 308
Гликозилтрансферазы 125—127
Гликокол 24, 26, 27, 33—35, 98, 99, 272,
279, 343, 352, 356, 357, 377, 390, 399
Гликоколбетаин 390
Гликолатоксидаза 113, 114, 240, 281
Гликолевая кислота 225, 233, 234, 240, 279,
281
Гликолевый альдегид 190
Гликолиз 209, 210
— сахаров 291
Гликолипиды 243, 246
Гликопротеиды 52, 170, 178
Глиоксалевая кислота 226
Глиоксилатный цикл 215, 216, 223, 226, 230,
263, 264
Глиоксилевая кислота (глиоксилат) 114,
147, 215, 216, 226, 233, 234, 240, 265,
281, 384
Глиоксисомы 216, 264
Глицеральдегидфосфатдегидрогеназа 273,
275
Глицеральдегид-З-фосфат 329, 392
Глицериды 244—246, 249, 251
— кислоты пальмитиновой 245
— — стеариновой 245
Глицерин 128, 151, 170, 198, 223, 231, 233,
244—249, 258, 259, 261, 264, 265, 392, 398
Глицеринальдегидфосфат 191
Глицерин ал ьдегид-3-фосфат 190
Глицериновый альдегид 151, 152, 183, 190,
233
D-Глицериновый альдегид 25, 153
L-Глицериновый альдегид 25, 153
Глицеринфосфорная кислота 249
Глицерофосфатиды 249
Глицилаланиллейцин 34
Глицилалянин 34
Глицилглицилглицин 125
Глицилглицин 125, 138
Глицилглицин-дипептидаза 138
Глициллейцин 125
Глицилметионин 125
Г^ицилпролин 139
Глицилтриптофан 125
Глицилфенилаланин 125
Глицин 26, 32, 125, 148, 272, 281, 368, 371
Глицинамид 125
Глицинанилид 362
Глицинии 51
Глобин 32, 52
Глобулины 50, 51, 97, 140
Глобулярные (шаровидные) белки 44, 45, 47
Глюкан .176
а-Глюканфосфорилаза 125
Глюкаровая кислота 161
Глюкоамилаза 134, 136
Глюкобрассицин 331
Глюкованилин 308
Глюкоза 58, 92, 96, 101, 120, 122, 127, 129,
132, 133, 136, 148, 150, 152, 154-156,
158, 161, 162, 164, 166—170, 172, 174 — 178,
183—189, 192, 193, 207, 211, 214, 222,
232, 238, 250, 259, 265, 279, 299-301,
308, 310, 311
D-Глюкоза 153, 154, 160, 162, 168, 176
О-(+)-Глюкоза 153
а-Глюкоза 132, 156, 166, 167, 169
а-D-Глюкоза 154, 155
Р-Глюкоза 132, 156, 166
P-D-Глюкоза 154, 155
Глюкозамин 150, 161, 162
418
D-Глюкозамин 162
Глюкозаминсодержащие соединения 162
3-Глюкозид кемпферола 299
Глюкозид кумарина 296
7-Глюкозид эскулина 295
а-Глюкозидаза 96, 132, 133, 308
f-Глюкозидаза 96, 132, 185, 303, 308, 309,
312
Глюкозидазы 101
Глюкозидные связи 168, 172, 176
а-Глюкозидные связи 101
P-Глюкозидные связи 101, 168, 176, 308
а-Глюкозидо глюкоза 167
Р-Глюкозидоглюкоза 168
5-Глюкозидо-З-рамногликозид 298
Глюкозиды 101, 132, 162, 308
— Р-Фенилэтилового спирта 312
а-Глюкозиды 132, 308
Р-Глюкозиды 101, 132, 308
Глюкозилтрансферазы 126
6-Глюкозо-а-галактозид 167
б-Глюкозоф-В-глюкопиранозид 168
Глюкозо-1,6-дифосфат 120, 123
Глюкозооксидаза 114, 232
Глюкозофосфат 193, 222
Глюкозо-1-фосфат 121—127, 158, 183—186,
188, 207, 265
а-Глюкозо-1-фосфат 126
Глюкозо-6-фосфат 120 —123, 158, 172, 184—
189, 221, 222, 265, 289
D-Глюкозо-б-фосфат 194
Глюкозофосфат-изомераза 148, 184, 188,
207, 211
Глюконеогенез 216, 264
Глюконовая кислота 107, 114, 190, 221, 222,
228, 231, 232
D-Глюконовая кислота 169, 194
Глюконовокислое брожение 231
Глюкопираноза 155, 167, 174, 175, 182, 207
D-Глюкопираноза 161
а-Глюкопираноза 132, 133, 156, 157, 166,
169
а- D-Глюкопираноза 155
р-Глюкопираноза 156, 157
Р-D-Глюкопираноза 155
1 - а- В-Глюкопиранозидо-2-Р- D-фру ктофура-
нозид 166
Глюкопиранозо-1-фосфат 158
Глюкопиранозо-6-фосфат 148, 158, 207, 211
Глюкофураноза 156
а-Глюкофураноза 156
р-Глюкофураноза 156
Глюкуроновая кислота 161, 179, 182, 189,
190, 192, 193, 228, 289
D-Глюкуроновая кислота 180, 190, 192—194,
289
D-Глюкуронолактон 190
Глютаматдегидрогеназа 102, 103, 359, 402
Глютаматдекарбоксилаза 386, 387
Глютаматсинтаза 354, 359
у-Глютамилцистеин 148
Глютамин 30, 32, 123, 143, 148, 279, 336,
354, 355, 358, 359, 368, 371, 372, 378 —
383, 390, 397, 398
Глютаминаза 143, 144
Глютаминовая кислота 29, 30, 32, 33, 35,
39, 51, 80, 123, 143, 148, 235, 272, 334,
14*
354—362, 368, 376, 377, 380, 381, 383.
39,8 399
D-Глютаминовая кислота 25, 26
L-Глютаминовая кислота 26, 30
Глютаминовые растения 379
Глютаминсинтетаза 148, 354, 359, 380
Глютаровый альдегид 387
Глютатион 35, 36, 330, 375, 399
Гл ютатион редуктаз а 217
Глютелины 51
Глютенин 51
Глюцит 164
Гниение белков 146, 352, 384, 385
Гомогенный катализ 91
Гомопантоилтаурин 85
Гомосерин 28, 124
L-Гомосерин 28
Гомоферментативное молочнокислое броже-
ние 199, 200
Гомоцистеин 124, 362
Гордеин 45, 51
Горденин 329, 389
Гормоны 36
— животного происхождения 256, 323
— линьки насекомых 257
Госсипол 299, 300
Граминин 175
Грамицидин 25, 36, 340, 343, 399
Граны хлоропластов 273
Грибной сахар 167
— солод 132, 136
Гуанидин 30, 39
Гуаниловая кислота 56, 58, 372
Гуанин 54, 56, 60—63, 127, 368, 373
Гуанозин 56
Гуанозиндифосфат (GDP) 58, 122, 286, 373
Гуанозиндифосфатглюкоза 192
Гуанозиндифосфатманноза 194
Гуанозинмонофосфат (GMP) 58
Гуанозин-5'-монофосфат 58
Гуанозинтрифосфат (GTP) 58, 122, 286, 366,
367, 369, 371
L-Гулоновая кислота 194
L-Гулуроновая кислота 182
Гуминовые кислоты 300
Гумификация 300
Гумми 162, 163, 179
Гутта 255, 289, 316, 318, 319, 322
Гуттаперча 312, 316, 317
Гуттаперченосы 289, 316
Двууглекислый аммоний 352
Двухкомпонентные ферменты 98, 99, 100,
107, 118, 123
Двухтяжевые ДНК 63, 64
Дегидратаза диоксикислот 403
Дегидрирование глицерина 151
— кислоты пальмитиновой 260
— — стеариновой 260
— — янтарной 230
— пролина 360
Дегидроаскорбиновая кислота 82, 83, 113,
217, 218 .
Дегидрогеназа восстановленного NADP ПО
— фосфоглицеринового альдегида 207, 208,
211, 280
Дегидрогеназы 77, 100, 106—108, 112, 114,
419
116, 215, 216, 221, 222, 230, 325, 377
Дегидрогенизация 100, 106, 216
— яблочной кислоты 213
З-Дегидрохинат-дегидратаза 291
З-Дегидрохинная кислота 291
7-Дегидрохолестерол 71
З-Дегидрошикимовая кислота 291, 305
Дезаминирование 351
— азотистых соединений 357
— аланина 375, 399
— аминов 389
— аминокислот 351, 375—379, 381,382, 396,
397
— — дикарбоновых 397
— L-аминокислот 377
— валина 376
— кадаверина 388
— кислоты аспарагиновой 377, 381
— — глютаминовой 376, 377, 381
— лейцина 376
— путресцина 387
— тирозина 304, 376, 378
— фенилаланина 304, 378
— цитозина 363
Дезозамин 345
Дезоксиаденозин 374
6-Дезоксигалактоза 160
L-6-Дезоксигалактоза 160
Дезоксигексозы 160
Дезоксигуанозин 374
6-Дезоксиманноза 160
L-6-Дезоксиманноза 160
Дезоксинуклеозидтрифосфаты 374
Дезоксинуклеотиды 374
Дезоксирибоза 54, 56, 59, 163
D-2-Дезоксирибоза 59, 159, 160, 163
Дезоксирибонуклеазы 130, 364
Дезоксирибонуклеи новые кислоты (ДНК)
59, 60, 61, 63, 64, 333, 335, 345, 346, 364,
366, 367, 373, 374, 402—404
— — бактерий 64
— — бактериофагов 64
— — вирусов 64, 65
— — митохондрий 59
— — передача генетической информации
366
— — хлоропластов 59, 273
ДНК-зависимые РНК-полимеразы 366, 373,
374, 404, 405
ДНК-нуклеотидилтрансфераза 374
ДНК-полимераза Корнберга 374
ДНК-полимераза II 374
ДНК-полимераза III 374
ДНК-полимеразы 374
Дезоксисахара 160
Дезоксицитидин 374
Декарбоксилазы 376, 377, 397
— аминокислот 145^ 146, 384, 386, 387, 391
Декарбоксилирование 99, 145
— аланина 399
— . аминокислот 76, 145, 352, 384—389, 396,
398
— валина 386
— кетокислот 145, 218, 247, 376, 397
— кислот жирных 263
— — уридиндифосфатуронсвых (L’DPy ро-
ковых) 189, 190
Декарбоксилирование кислот уроновых 189
— кислоты аспарагиновой 386
— — галактуроновой 161, 189
---глюкуроновой 161, 189, 190
— — глютаминовой 354, 386
— — изолимонной 213
— — а-кетоглютаровой 218, 377
— — у-метиленглютаминовой 387
— — пировиноградной 98, 145, 218, 398
— — фосфоглюконовой 189
— — щавелевой 241
— — щавелевоуксусной 216
— лейцина 386
— лизина 145, 398
— орнитина 146, 398
— серина 390
— тирозина 389
— триптофана 385
Декстраны 50, 182, 187
Декстрансахараза 126
Декстриногенамилаза 134
(Декстрины 133—136, 162, 174, 186, 191
Декстроза 162
[Дельфинидин 297, 298
Деметилирование метионина 124
Демиссин 310
Денатурация белков 42—44, 47, 48
— ДНК 64
— ферментов 43, 103
Депсидные связи 293, 301
Депсиды 293, 294
— галловой кислоты 293
Дерепрессия генов 405
Диалектический материализм 12
Диаминодикарбоновые аминокислоты 31
Диаминодитиодикарбоновая кислота 28
а,е-Диаминокапроновая кислота 31
Диаминоксидаза 388
Диаминомонокарбоновые аминокислоты 30
^а,е-Диаминопимелиновая кислота 31
Диастаз 15, 133, 167
Дигалактозилмоноглицерид 246
Ж-Дигалловая кислота 293 /
Дигаллоил 301 /
Дигаллоилгамамелоза 301 '
Дигидролипоилдегидрогеназа 213
1,6-Дигидроникотиновая кислота 328
Дигидростерин 256
Дигидроурацил 55
Дигидрохалконовый глюкозид 299
Дигидрохалконы 299
Дигидроцеатин 335
Дигйдроэргостерол 71
Дигитоксигенин 310
Диглицериды 266
3,5-Диглюкозид цианидина 298
Дидепсид орселлиновой кислоты 129
Дикарбоновые аминокислоты 144, 359, 376,
378—581
Дикофеилвинная кислота 294
Димер лейкоцианидина 302
— (—)-эпикатехина 302
Димеры 42, 52
— катехинов 302
— лейкоантоцианов 302
6-(у,у-диметилаллил)-аминопурин 335
420
Диметилаллилпирофосфат 320, 322, 323'
6,6-Диметилбензимидазол 82
N2-Диметил гуанин 55
Диметилизоаллоксазин ПО
6,7-Диметилизоаллоксазин 75
Диметилоксимасляная кислота 77
±,6-Диметилоксифенилпенициллин 342
Диметилпировиноградная кислота 327
2,3-Диметил-5-соланезилбензохинон 279
2,3-Диметокси-5-метилбензохинон 217
Динамическая биохимия 4
Диоксиацетон 151, 152, 231, 233
5,6-Диоксииндол 303
3,3'-Диокси-а-каротин 254
3,3'-Диокси-Р-каротин 254
а,Р-Диокси-6-метилвалериановая кислота
403
Р,6-Диокси-6-метилвалериановая кислота
319
2,4-Диокси-7-метокси-1,4-бензоксазин-3-он
339
Диоксифенилаланин (DOPA) 303, 386
Р-(3,4-Диоксифенил)-этиламин (DOPA-амин)
303
Диоксиянтарная кислота 227
Диосгенин 310, 311
Дипептидазы 138, 375
Дипептиды 34
Дисахариды 150, 151, 158, 162, 165, 166,
168, 296, 308
— типа мальтозы 166
а-Дисахариды 166
р-Дисахариды 166
Диск-электрофорез белков 49
Диссимиляция аминокислот 82, 374, 375,
381, 387, 390, 394
— белков 374, 375, 381, 382, 384, 394-396
— гексоз 230, 238
— глюкозы 216
— кислот жирных 262
— — нуклеиновых 384
— нуклеопротеидов 383, 384
— органических соединений 8, 9, 121, 197,
396
— пиримидинов 82
— пуриновых оснований 384
— сахаров 229
— углеводов 74, 207, 221, 226, 237, 259,
397—398
Диссоциация аминокислот 45
— анаэробных дегидрогеназ 107
— белков 42, 45
— двухкомпонентных ферментов 100
Дисульфидные связи 35—38, 42
Дитерпеновые спирты 315
Дитерпены 312, 315, 319, 322
Дифенилмочевина 335
Дифенилпропан 299
Дифенолы 292
Дифосфоглицериновая кислота 57, 280, 281
1,3-Дйфосфоглицериновая кислота 122, 207—
210, 212
Дифосфопиридиннуклеотид (DPN) 107, 109
Дифру ктозиды 175
Дифтерийный токсин 45
2,4-Дихлорфеноксивалериаяовая кислота
339
2,4-Ди хлорфеноксигептановая кислота 339
2,4-Дихлорфеноксикапронсвая кислота 339
2,4-Дихлорфеноксимасляная кислота 339
2,4-Дихлорфеноксипропионовая кислота
339
2,4-Дихлорфеноксиуксусная кислота (2,4-Д)
338, 339
Дихлорэтан 247
Диэпоксид Р-каротина 255
Диэтиламиноэтилцеллюлоза 49
Древесный сахар 163
Дубильные вещества 293, 297, 300 —302,
316
Дубители 300
Дубление 300
Дульцит 165, 194, 195
Дыхание 8, 9, 16—18, 36, 57, 100, 105, 107.
112, 113, 117—121, 146, 158, 197—210,
216—>-224, 226, 228, 229, 237, 239, 241,261,
278, 279, 288, 306, 307, 349, 354, 355, 365,
393, 396, 397, 407
Дыхательные пигменты 109
— ферменты 204
— хромогены 377
Дыхательный коэффициент 201, 205, 236,
241, 242, 258, 261
Енолаза 144, 208
Енолизация пептидной связи 35
Енолпировиноградная кислота 208—210.
212
5-Енолпирувилшикимат-З-фосфат 304
Желатина 31
Железо 99, 100, 115, 116, 272, 354
Железодигидропорфирин 115
Железомезопорфирин 115
Железопорфирины 272
Железопротопорфирин 115
Железоформилпорфирин 115
Желирующая способность пектина 180, 181
Желирующие углеводы 180, 181
Желтый дыхательный фермент ПО
Живица 315
Животные воска 248
— жиры 245
Жирные кислоты 22, 128, 223, 244—249,
258—266, 344, 351, 352, 398
Жировые растворители 256
— эмульсии 247
Жироподобные вещества 52, 243, 248
Жирорастворимые витамины 69, 71, 73
— пигменты 243, 251
Жиры 201, 203, 243—249, 256—259, 261,
265, 266, 322, 378
— влияние условий внешней среды 400
Запасные белки 98
— вещества 243
— углеводы 162, 170, 186, 192, 195
Зеин 33, 44, 45, 51, 381, 407
Зимогены 15, 139, 140
Злокачественная анемия 81
Зрительный пурпур 255, 283
Изоамиламин 386
Изоамиловый спирт 198, 376
421
Изобутиламин 386
Изобутиловый спирт 376
Изокверцитрин 299
Изолейцин 32, 33, 40, 368, 403
L-Изолейцин 27, 403, 404
Изолизергиновая кислота 326, 327
Изолимонная кислота (изоцитрат) 144, 147,
213, 214, 216—218, 223, 227, 228, 236,
239, 240, 265, 378, 398
L-Изолимонная кислота (L-изоцитрат) 286
Изомальтоза 96
Изомеразы 106, 147, 148, 184, 190
Изомеризация органических соединений 106,
123, 147
Изомеры витамина Е 72
— глюкозы 156. 166
— инозита 79, 289, 290, 336, 337
— каротина 252, 253
— катехинов 296
— лихениформина 344
— полипептидов 35
— цеаксантина 254
Изопеллетьерин 388
Изопентенилпирофосфат 266, 322, 323, 333
Изопиперитенон 314
Изопрен 254, 255, 270, 312, 316, 319
Изопреноидная цепочка 323
Изопреноиды 255, 319
Изородановый эфир аллилового спирта 129
Изохинолин 324, 325, 326
Изохинолиновые алкалоиды 324, 326
Изоцитратдегидрогеназа 213, 214, 240, 286
Изоцитрат-лиаза 147, 216, 240, 402, 405
Изоэлектрическая точка белков 45—47
— электрофокусировка белков 49
Изоэнзимы (изозимы) 105
Имидазол 39
Иминокислоты 32, 359, 375—377
Иммунитет 183
Инактивирование амилаз 136
— ферментов 103, 203
Инверсия сахарозы 166
Инвертаза 127, 132, 166, 222
Инвертный сахар 166, 170
Ингибирование каталазы 119
— ферментов 103, 104
— — окислительных 104
— фосфорилаз 126
— цитохромоксидазы 116, 117
Ингибиторы биосинтеза ДНК 346
---РНК 345
— действия ИУК 331
— роста 289, 307, 335—337
— протеиназ 104, 140
— трипсина 140
— ферментов 103—105
— химотрипсина 140
Индол 325, 326, 385, ’386, 401
Индо^ные алкалоиды 325, 326
Индолил-З-ацети л аспарагиновая кислота
331
Индолилпировиноградная кислота 393
Р-Индолилпировиноградная кислота 330
Индолилуксусная кислота (ИУК) 84
Р-Индолилуксусная кислота (ИУК) 307, 330,
331, 393
Индолилуксусный альдегид 393
Индолэтиламин 385
Индукторы биосинтеза ферментов 402—405
Индукция биосинтеза ферментов 401—405
— глютаматдегидрогеназы 402
— изоцитрат-лиазы 402
— нитратредуктазы 402
Индуцированный биосинтез ферментов 400,
Индуцируемые ферменты 401, 402, 405
Инициация биосинтеза белка 369, 370
Инозин 62
Инозиновая кислота 371, 372
Инозит 79, 289, 290, 313, 336
D-Инозит 289
L-Инозит 289
Инозитфосфорная кислота 79, 130, 290
Интенсивность дыхания 202—204
Интернациональные единицы витаминов 70
Интрамолекулярное дыхание 108, 204, 205
Инулаза 136, 175, 188, 191
Инулиды 191
Инулин 16, 136, 151, 162, 174, 175, 186
188, 189, 191
Инулиназа 136
Информационная РНК 59, 336—368, 371
Информосомы 366
Ионообменные смолы 49
Ионные (солевые) связи белков 38, 39, 42
— — нуклеопротеидов 64
Ионон 313
а-Ио нон 290 *
Иононовое кольцо 290
Ипомеаин 349
Ипомеамарон 349
Ирисин 175
Ирон 290, 313
Итаконовая кислота 228, 230
Ихтулин 51
Йодная проба на гликоген 176
— — — крахмал 171, 173, 174, 268
Йодное число жиров 246, 259, 261, 400
Кадаверин 145, 146, 385—388, 398
Казеин 28, 51
Казеинат кальция 139
Казеиноген 139
Калиевая соль винной кислоты 227
— — пенициллина 341
Калиевые соли антоцианов 298
— — кислот органических 239
— — — фосфатидных 250
Калий-натриевая соль винной кислоты 227
Каллоза 176, 186
Кальциевые соли антоцианов 298
— — фосфатидных кислот 250
Кальций-магниевая соль инозитфосфорной
кислоты 79, 130, 290
Камфен 314, 315
Камфора 311, 314
а-Камфорен 315
Канаванин 31, 340
Канифоль 315
Капроновая кислота 247
Капсульные полисахариды бактерий 182
— — — азотфиксирующих 182
422
Карбаминовая кислота 352, 382, 383
Карбамоилфосфат 372, 383
Карбобензокси-Ь-глютамил-(Ь-метионил)10-Ь-
метионинамид 362
Карбобензокси-Ь-изоглютамин 362
Карбогидразы 127, 130, 132
Карбоксилазы 148, 149
Карбоксилирование жирных кислот 79
— кетокислот 240
— кислоты фосфоенолпировиноградной
(фосфоенолпирувата) 240, 286
— — янтарной 282
— органических соединений 281
— рибулозодифосфата 281, 286
Карбоксиметилцеллюлоза 49
Карбоксипептидаза А 138
Карбоксипептидазы 138
Карбонат — гидро-лиаза 145
Карбонат-дегидратаза 100
Карвон 313, 314
Карнаубовая кислота 248
Карнаубский воск 248
а-Каротин 70, 253, 254, 272
Р-Каротин 70, 253, 254, 272, 275
у-Каротин 70, 253
Каротиноиды 69, 243, 251—255, 272, 273,
275—277,312,316,319,320, 322, 344,397
Каротины 69—71, 251, 252, 254, 290, 313
Каррагинин 181, 182
Катал 97
Каталаза 44, 92, 97, 99, 100, 118, 232, 241,
270, 272
Катализаторы белковой природы 90, 96, 98
Катепсин 139
(Ч-)-Катехин 295
Катехингаллаты 296
Катехины 296, 297, 299, 301, 302
Катехол-метилтрансфераза 304
Каучук 255, 288, 289, 312, 316-319, 322,
329, 397
Каучуковые глобулы 318
Каучуконосы 289, 316—318
Кафирин 51
Квантовый выход фотосинтеза 275, 276
Квантосомы 275, 276
Квебрахит 290
Кверцетин 299, 305, 330
Кверцетинмоноглюкуронид 186
Кверцитрин 299, 300
Кемпферол 299
Кератин 44, 51, 143
а-Кето-Е-аминокапроновая кислота 328
,Р-Кетоацетилкофермент А 262, 263
Кето гексозы 153
Кето гептозы 163
а-Кетоглютаровая кислота 81, 123, 213, 214,
217, 218, 220, 226, 240, 282, 286, 354,
359, 360,-376, 377, 397, 398
2-Кето-3-дезокси-7-фосфоарабогептоновая
кислота 291
Кетозы 152, 155
Кетокислоты 123, 124, 226, 239, 247, 286,
304, 351, 352, 359, 375—378, 397, 398
о-Кето кислоты 81
Р-Кето кислоты 262
а-Кетомасляная кислота 403
а-Кето-Р-метилвал ериановая кислота 403
Кетонное прогоркание жиров 247
Кетоны 247, 266
Кетопентозы, 159, 189
Кетотриозы 152
Кефалины 249, 250, 390
Кинетин 334, 335, 337
Кислородные производные каротиноидов
255
— — терпенов 312—316
Кислородный мостик моносахаридов 155,
156
Кислотное число жиров 246, 259
Кислотный гидролиз белков 35
Кислые растения 378
— фосфатазы 130
Китайский таннин 300
Кладиноза 345
Классификация белков 50
— ферментов 105, 106, 114, 115, 137
Клеточные вакуоли 9, 105, 298
Клетчатка 58, 136, 150, 151, 162, 168, 170,
176, 177, 187, 192
Клубеньковая азотфиксации 353—356
Клубеньковые азотфиксаторы 58, 64, 353—
356
— — симбиотические 354, 355
Клупеин 51
Коагуляция белков 203
Коб ал и хромы 82
Кобальт 353, 355
Ковалентные связи белков 36, 38, 42
Кодзиевая кислота 232, 233
Кодирование последовательности аминокис-
лот 366, 368
Кодоны 368
— матричной РНК (мРНК) 369
Кокаин 324
Коламин 249—251, 389, 390
Коллоидные полисахариды 179
Компартментация 9
— ферментов 105
Комплексные соединения кобальта 81, 82
Комплементарные азотистые основания 63
— нуклеотиды 369
— полинуклеотиды 366, 367
Конденсация глюкозы 168
— катехинов 302
— кислоты уксусной 230, 234
— — щавелевоуксусной 239
— триоз 233
— фосфодиокси ацетон а 190
Конденсированные дубильные вещества 297,
300—302
Конденсирующий фермент 291
Кондиционирование зерна 14
Конечные оксидазы 217, 218
Кониин 327, 400
Конифериловый спирт 293, 295, 303
Кониферин 303
Конкурентное ингибирование ферментов 104
Константа диссоциации фермент-субстрат-
ных комплексов 93, 95
— Михаэлиса 95, 96
Конститутивные ферменты 400, 401
Конформационные флюктуации белков 44
— — ферментов 105
Конформация белков 42, 44
423
Конформация пираноз 157
— ферментов 44, 96, 104, 105
— целлюлозы 176
Конфигурация моносахаридов 153
— R 319
— S 319
С-Концевые аминокислоты 37, 39, 138
N-Концевые аминокислоты 37, 39, 138
Коричные кислоты 294, 304—306, 378
— спирты 303
Ко феил-3-хинная кислота 294
Кофеил-5-хинная кислота 294
Кофеиляблочная кислота 294
Кофеин 54, 55, 325
Кофейная кислота 101, 293, 294, 304, 305,
306, 348
Кофермент А (коэнзим А, СоА) 77, 78, 99,
148, 212—214, 241, 259. 260, 262, 266, 305,
318, 319
Коферменты 100, 395
— аминотрансфераз Г23, 124, 391
— дегидрогеназ анаэробных 107, 108
— — первичных 109
— — пиридиновых 329, 391, 399
— декарбоксилаз 387, 391
— нуклеотиды 396
— окислительного декарбоксилирования
а-кетокислот 81
Коферменты Q (коэнзимы Q) 217, 279
Крахмал 16, 58, 125, 126, 133—136, 150, 151,
162, 170—175, 183, 186—189, 191, 192,
195, 235, 236, 242, 265, 268, 406, 408
Крахмальные зерна 133, 134, 170, 171
Крахмальный клейстер 133, 134, 172
Кремортартар 227
Криптоксантин 251, 252
Кристаллические белки 22, 49, 50
— ферменты 100
Кристаллический пепсин 139, 140
— трипсин 140
— химотрипсин 140
Критическая влажность 203
Кроветворный фактор 81
Кроцетин 254
Кроцин 168
Ксантин 111, 384
Ксантингидрат 111
Ксантиноксидаза 111, 113, 384
Ксантопротеиновая реакция 22, 29, 32
Ксиланаза 136, 137
Ксиланы 178, 179, 189
Ксилит 163
Ксило глюкан 178
Ксилоза 24, 159, 161, 163, 178—180, 183,
184, 189, 193, 232, 233, 299
D-Ксилоза 159, 163
Ксилозо-1-фосфат 127
Ксилокетоза 127
Ксилоновая кислота 232
Ксилопираноза .179
0-Ксилопираноза 179
Ксилулоза 159
L-Ксилулоза 159
Ксилулозофосфа/г 280
Ксилулозо-5-фосфат 190, 191, 281
Кураре 324 '
п-Кумарилкоэнзим А 305
п-Кумарилхинная кислота 306
Кумариновая кислота 295
Кумарины 293, 295, 304, 305, 331
о-Кумаровая кислота 304
п-Кумаровая кислота 293, 294, 304—306,
378
п-Кумаровый спирт 295
Куриная слепота 68, 69
Лабильность действия ферментов 97, 98,
102
Лабфермент 139
Лактаза 132
Лактатдегидрогеназа 212
Л а кто альбумин 45
Лактоглобулин 51
Р-Лакто глобул ин 33, 45, 49
Лактоза 162, 166, 167, 183
Лактозные дрожжи 132, 162, 167, 199
Лактон D-глюкуроновой кислоты 190
— кумарина 295
.Ламеллы хлоропластов 273, 275
Ланолин 248
Ланостерол 321
Латекс (млечный сок) 317, 318, 324
Леваны 182, 187
Левомицетин 344
Левопимаровая кислота 315, 316
Левулёза 162
Левулёзаны 187—189, 192
Р-Левулин 175
Легоглобин 272, 353
Легумелин 48, 50
Легумин 51
Л ей ко антоцианы 295, 296, 297, 301, 302
Лейкозин 50 9
Лейкопения 80
Лейкопласты 273
Лейкофлавин 109
Лейкоформа метиленовой сини 106, 107, НО
Лейкоцианидин 297, 302
Лейцин 24, 26, 27, 29, 32-34, 37, 40, 125,
327, 334, 343, 368, 375, 376
L-Лейцин 27
Лейцинаминопептидаза 138
Леканоровая кислота 129
Лектины 52
Летучие органические кислоты 225
Лецитины 124, 130, 249, 250, 265, 266, 390
Лиазы 106, 144—146
Лигазы 106, 148, 149
Лигнин 178, 192, 293, 300, 302, 303, 329
Лигниноподобные полимеры 303
Лизергиновая кислота 326, 327
Лизин 30—33, 37, 39, 51, 145, 146, 327, 328,
343, 356, 357, 361, 362, 368, 375, 385, 408
L-Лизин 31
Лизиндекарбоксилаза 145
Лизосомы 9, 243
Лизоцим 36—38, 41, 42
Ликопин 251, 253, 254, 320
Лимонная кислота (цитрат) 14, 144, 213,
214, 216, 223, 227—230, 232, 234—239,
265, 279, 287, 398
Лимоннокислые растения 235
Лимонен 313, 314
Линалоол 312, 313
424
Линейные амидины 144
Линолевая кислота 219, 244, 245, 249, 250,
336, 406
Линоленовая кислота 244—246, 249, 250
Лиотропные ряды 46, 47
Лиофильная сушка белков 48
Липазы 10, 128, 223, 261, 264
Липиды 52, 243, 250, 252, 264, 288, 398
— митохондрий 219
— хлоропластов 273, 275
Липоат-ацетилтрансфераза 213
Липоевая кислота 81, 212
Липоиды 243
Липоксигеназа 119, 120, 247, 262, 336
Липоксидаза 119
Липопротеиды 52, 250
Лихенин 16, 176
Лихениформин 36. 343, 344
Лобеланин 387
Лупанин 327
Лютеин 251—254, 272, 275
Лютеол ин 298
Магниевые соли антоцианов 298
— — фосфатидных кислот 250
Магний 237, 241, 269, 272, 355, 364—366,
372, 374, 383
Магнийпротопорфирин 272
Мадагаскарская манна 165
Макролиды 344, 345
Малатдегидрогеназа 107, 213, 215
Малатдегидрогеназа (декарбоксилирующая)
239, 240, 286
Малат-синтаза 216, 230
Малонил 78
Малонилкофермент А (малонил-СоА) 226,
241, 259, 260, 305
Малоновая кислота 104, 213, 226, 241
Мальвидин 297, 298, 306
Мальтаза 96, 132, 167
Мальтодекстрины 174
Мальтоза 97, 132—136, 150, 162, 166—168,
170, 174, 183, 186 —188, 191
Манна 164, 165, 169
Маннаны 58, 178, 194
Маннит 16, 164, 165, 194, 195, 223, 231, 259,
357
D-Маннит 231
’Маннитолдегидрогеназа 195
Маннит-6-фосфатдегидрогеназа 364
D-Манногептулоза 164
Манноза 52, 154, 161—163, 165, 178, 180.
183, 194, 232
D-Манноза 153, 163
О(-|--)-Манноза 153
Маннозо-1-фосфат 127
Манноновая кислота 232
Маннуроновая кислота 161
D-Маннуроновая кислота 182
Марганец 144, 275
Масла, см. Растительные масла
Масляная кислота 200, 225, 247
Маслянокислое брожение 200, 225
Матрикс митохондрий 219, 220
— хлоропластов 273
Матричная РНК (мРНК) 62, 366, 368, 369.
371, 402, 404, 405
Мевалоновая кислота 255, 266, 319—324,
331, 333, 335
— — R-форма 319, 324
— — S-форма 323, 324
Медицинская биохимия 7
Медь 100, 217, 275, 278
Медьпротеиды 113
Меланоидины 24
Меланины 29, 112, 300, 303
Мелибиоза 132, 133, 162, 166, 167, 169
Мелитриоза 169
Мембраны митохондрий 219—221, 249
— хлоропластов 245, 246
Ментол 313, 314
Ментон 314
Метаболиты, см. Продукты обмена веществ
Метадигалловая кислота 129, 293
Мета-крезол 101
Металлоферменты 138
Металлофлавопротеиды 358
Металлы ферментов 99, 100
Метанол 101
Метил аденин 82
Метиламин 98, 99, 385, 387
L-N-Метилвалин 345
Метилгипоксантин 82
1-Метилгипоксантин 55
Метилгликозиды 158
а-Метилгликозиды 158
f-Мети л гл и кози ды 158
Метилглюкозиды 96
1-Метилгуанин 55
у-Метиленглютамин 30
у-Метиленглютаминовая кислота 30, 387
у-Метилен-а-кетоглютаровая кислота 226
Метиленовая синь 106, 107, 109—111
З-Метиленоксиндол 331
Метилирование 390
— аминов 389, 390
— аминокислот 390
— высокомолекулярных полисахаридов 170
— гл и ко кол а 390
— коламина 389
— никотиновой кислоты 392
— пролина 390, 391
— тирамина 389
Метилированные производные инозита 289.
290
Метилирующие ферменты 304
4-Метилмеркапто-2-кетомасляная кислота
336
Метиловые эфиры уроновых кислот 179
Метиловый спирт 129, 137, 140, 181, 270
— эфир аргинина 102
— — бензоил-Ь-аргинина 140
— — масляной кислоты 225
Метилпентозаны 179
Метилпентозы 160, 179, 311
Метилпропилкетон 247
Метилсалициловая кислота 305
Метилтрансфераза 193, 389
Мети л фурфурол 179
2-Метил-4-хлорфено ксиуксусная кислота
(2-М-4-Х) 338
З-Метил-Ь-цистеин 28
5-Метилцитидиловая кислота 57
5-Метилцитидин 57
425
5-Метилцитозин 55, 57, 60, 61
Метильные производные полисахаридов 170
Метионин 29, 32, 33, 40, 115, 124, 125 278
328, 336, 360, 362, 368, 369
L-Метионин 29
D-Метионинамид 362
L-Метионинамид 362
6-Метоксибензоксазолинон 348
Метоксилированная полигал акту ро новая
кислота 137, 180, 181
— фруктофураноза 182
Механистический материализм 12
Микориза 355, 381
Микробиологическое определение амино-
кислот 357, 358
— — витаминов 89
Микрокатал 97
Миллонов реактив 22
Миллонова реакция 22, 29
Минерализация азота 356
Минеральное питание 237
Минеральные соединения 397
— — хлоропластов 273
Минорные основания 55, 61, 335
Миоглобин 45
Миозин 44, 98
Мио-инозит 79, 193, 250, 25L, 289, 290, 336
Миракулин 170
Мирицетин 299
Мирициловый спирт 248
Мирозиназа 129
Мирцен 312
Митомицин С 346
Митохондрии 9, 105, 212, 216, 219—221,
243, 272, 281, 307
Мицеллы клетчатки 177, 178
Многоатомные спирты 151, 152, 164, 223,
289
Молекулярная биология 7
— масса белков 44, 45
— — пептидов 45
— структура ДНК 61 , 63, 64
— эволюция 405
Молибден 100, 353, 354, 359
Молибдоферредоксин 354
Молочная кислота 108, 135, 199, 200, 206,
210, 212, 226, 228, 240, 352
d(—)-Молочная кислота 153
D-Молочная кислота 25, 200
DL-Молочная кислота 200
1(4-)-Молочная кислота 153
L-Молочная кислота 26, 200
Молочнокислое брожение М)7, 108, 199, 209,
210, 212, 226, 397
Молочный сахар 162, 167
Монеллин 170
Моноамид кислоты аспарагиновой 29
— — глютаминовой 30
Моноаминодикарбоновьье аминокислоты 29
Моноаминомонокарбоновые аминокислоты
22, 23, 26
Моноаминоксидаза 388
Монобутиламин 388
Монозы 150, 162, 166
Мономеры 42
Мононатриевая соль глютаминовой кисло-
ты 30
Мононуклеотиды 110
Моносахариды 125, 150—159, 161—163, 165
166, 182, 184, 187, 191, 194, 195, 261, 296
308, 407
D-Моносахариды 153
L-Моносахариды 153
а-Моносахариды 158, 166, 308
Р-Моносахариды 158, 166, 308
Монотерпеновые спирты 315
Монотерпены 312, 314, 315, ЗГ9
Монтановая кислота 248
Моноциклические дитерпеновые спирты 315
— дитерпены 315
— монотерпены 313
Морфактины 336
Морфин 324, 326, 328
Мочевая кислота 54, 55, 111, 113, 384
Мочевина 30, 43, 102, 143, 144, 351, 352,
356, 362, 381—384
Муравьиная кислота 80, 225, 234, 241
Муравьинокислый эфир линалоола 313
Мурамидаза 37, 41
Мутаротация 154
— дисахаридов 166, 167, 168
— моносахаридов 162, 163
Мыла 246
Набухание белков 47
— геля 46, 47
Нарингенин 297
Нарингин 297
Наследственная регуляция биосинтеза
белков 407
Насыщенные жирные кислоты 244, 245, 258,
260—262
Нативная конформация белков 42—44
Натриевая соль альгиновой кислоты 182
— — пенициллина 341
Нафталин 223
Р-Нафтилуксусная кислота 330
Нафтохинон 73,. 300
Невосстанавливающие дисахариды 127, 166,
168
— тетрасахариды 169
— трисахариды 169
— углеводы 161
Негеминовое железо 117, 275, 354
Негеминовые железопротеиды 117, 118, 217,
354
Незаменимые (обязательные) аминокислоты
27—29, 31, 33, 357, 407
Нейтрализация органических кислот 237
Нейтральные фосфатазы 130
Нековалентные связи белков 38—40, 42
Неконкурентное ингибирование ферментов
104
Нелетучие органические кислоты 225
Ненасыщенные кислоты ароматические 378
— — жирные 119, 219, 244—246, 250, 258,
260—262, 399
— — органические 230
а,Р-Ненасыщенный ацилкофермент А 262
Необратимая денатурация белков 43, 47
Необратимое ингибирование ферментов 104
Неогесперидин 297
Неогесперидоза 297
Неомыляемая фракция жиров 256
426
Неорганические азотистые соединения 358
— катализаторы 90—92, 97, 101
— кислоты 128
Неохлорогеновая кислота 294
Неполярные растворители 243
Нерастворимая липаза 128
Неролидол 315
Неспецифическая репрессия биосинтеза
ферментов 402
Нециклическое фотофосфорилирование 278,
280
Низкомолекулярные декстрины 135
— кислоты жирные 128
— — нуклеиновые 55, 59
— — рибонуклеиновые 63, 365
— полифосфаты 122
— полифру ктозиды 175
Низкоэнергетические связи 121, 122
Никотин 324—329, 389, 400
Никотинамидадениндинуклеотид (NAD) 95,
107—109, 208, 209, 212, 213, 217, 221,
262. 263, 289, 402
Никотинамидадениндинуклеотидфосфат
(NADP) 108—110, 195, 208, 218, 222,
275, 277, 278, 280, 286, 322, 402, 403
НАО(Р)+-трансгидрогеназа 109
Никотиновая кислота 76, 77, 85, 87, 89, 99,
325, 328, 329, 391, 392, 399
Нингидрин 24
Нингидриновая реакция 24
Нитратредуктаза 100, 359, 402
Нитратные микроорганизмы 284
Нитраты 237, 285, 351, 352, 356, 358, 359,
402
Нитритные микроорганизмы 284
Нитриты 352, 357—359
Нитрификация 284, 285
Нитрифицирующие микроорганизмы 197,
284, 285, 352
Нитрогеназа 353—355
Нанокатал 97
Номенклатура ферментов 107, 109, 115
Нонакозан 248
«-Нонакозан 266
Нонакозанол 266
Нонакозанон 248, 266
Норвалин 26
Норгигрин 388
Норлейцин 27
L-Норлейцин 27
Норникотин 325, 326, 329
Нуклеазы 384
Нуклеиновые кислоты 52, 54—56, 59—61,
64, 159, 163, 288, 352, 362, 364, 371, 372,
384, 396
— — вирусов 66
Нуклеозидазы 127, 384
Нуклеозиддифосфатсахара 194
Нуклеозиддифосфаты 122, 192, 194, 371 —
373
Нуклеозидтрифосфаты 122, 148, 372
Нуклеозидфосфаты 399
Нуклеозиды 56, 384
Нуклеопротеиды 52, 64, 383, 384, 393
Нуклеотидазы 130, 384
Нуклеотидно-аминокислотный код 368
Нуклеотиды 56, 58—62, 373, 384, 396
Нуклеотиды ДНК 60, 61
— кодонов 368
— РНК 60
Обезвоживание белков 46
Обезвреживание аммиака 378, 379, 381, 383
— азотистых соединений 329
Облигатные анаэробы 200
Обмен азотистый 143, 144, 329, 380, 383, 392
— алкалоидов 329
— амидов 381
— аминокислот 327, 351, 359, 389, 391,
392, 397, 399, 400
— аскорбигена 84
— ауксинов 307
— белков 30, 76, 327, 351, 359, 389, 391,
392, 395—397, 399
— веществ 4—10, 12, 13, 15, 16, 54, 56, 57,
68, 69, 75, 76, 79, 81, 82, 90, 102, НО,
ИЗ, 120, 123, 127, 144, 148, 151, 158,
170, 184, 189, 191, 197, 213, 235, 240, 241,
249, 251, 256, 264, 288, 291, 306, 308,
329, 333, 337, 338, 340, 381, 385, 386, 390,
392, 395—397, 399, 406—409
— — влияние условий внешней среды 400,
401
— витаминов 391, 392, 395
— водорода 58
— жиров 124, 396
— кислот нуклеиновых 345, 346
— — органических 228, 235
— лактозы 405
— липидов 257, 396
— магния 344
— никотиновой кислоты 391
— пуриновый 54
— соединений высокоэнергетических 265
— — минеральных 396
— — органических вторичного проис-
хождения 268
— стеролов 266
— стимуляторов роста 84
— триптофана 76, 77, 84, 391
— углеводов 192, 195, 235, 359, 396
— углерода 215
— фосфолипидов 264
Обновление белков 393, 396
Обратимая денатурация белков 43, 47
— диссоциация белков 42
— — рибосом 364, 365
Обратимое ингибирование ферментов 104
Обратимость действия ферментов 15, 97
— — — протеолитических 362
Овальбумин (яичный альбумин) 45, 49, 50
Однокомпонентные ферменты 98, 100
Однородность белков 48—50
Однотяжевые ДНК 64
Окисление альдегидов 109, 111, 263
— аминов 388. 389
— — ароматических 118
— аминокислот 99, НО, 119, 306, 307, 352,
375
— — дйкарбоновых 380, 381
— аммиака 197, 283, 284, 352
— ацетальдегида 230
— ацетила 263
— ацетил кофермента А 221, 263
427
Окисление борнеола 315
— витамина А 119
---С 83, 84
— водорода 197, 283, 285
— восстановленного никотинамидаденин-
динуклеотида 220, 221
— гексоз 189, 201
— гексозомонофосфата 109, ПО
— гексозофосфатов 190, 222
— гидрохинона 329
— гипоксантина 111, 384
— гликокола 375
— глицерина 151, 152, 231
— глюкозофосфатов 221, 222
— глюкозы 107, 109, 114, 160, 161, 189,
221, 222, 231, 232
— глютатиона 35
— дубильных веществ 112
— дульцита 165
— жиров 250
— закиси железа 283, 285
— — марганца 283, 285
— каротиноидов 118, 119, 254
— катехинов 296, 302
— кетокислот 376 '
— кислот жирных 201, 247, 262, 264
— — — ненасыщенных 118, 119, 247, 262
— — органических 224
— кислоты азотистой 197, 283, 284
— — аскорбиновой 82, 113, 119, 217, 218,
307, 329
— — аспарагиновой 380
— — гликолевой 113, 114, 233, 240, 281
— — глиоксилевой 240
— — глютаминовой 109, 380
— — изолимонной 107, 109, 218, 221
— — индолилуксусной 331
— — а-кетоглютаровой 221
— — лимонной 221, 307, 329
--- линолевой 119
— — линоленовой 119
— — молочной 109
— — мочевой 113
---муравьиной 241
— — пальмитиновой 263
— — пировиноградной 209, 212, 215, 216,
220—222, 397
— — уксусной 233, 240
— — фумаровой 221
— — щавелевой 233, 240
— — щавелевоуксусной 221
--- яблочной 107, 109, 221, 307
— — янтарной 213, 216, 221
— ксантина 111, 384
— маннита 165, 231
— моносахаридов 160, 161, 232
— монофенолов 112
— никотина 325
— а-оксикислот 240 -
— Р-оксикислот 262
— папаина 141
— пентоз 232
— пентозофосфата 222
— пептидов 306
— пирогаллола 112, 118, 329
— пирокатехина 111
— полифенолов 99, 111, 113, 118, 307
— протеиназ типа папаина 141
— пуриновых оснований 111
— путресцина 388
— растительных масел 72
— рибонуклеазы 38
— сахаров 228, 234, 258
— сероводорода 197, 284
— серы 283, 284, 285
— соединений железа 197
— — марганца 197
— — неорганических 197, 283, 285
— — органических 77, 99, 100, 112, 118,
121, 216, 217, 220, 231, 307
— — серы 197
— — фенольных 306
— сорбита 152, 163, 164, 231
— спирта кониферилового 293
— — этилового 95, 107, 230, 231
— спиртов 109
— — многоатомных 152, 231
— терпенов 118
— тирозина 29, 112
— триптофана 307, 330
— трифенолов 112
— углеводов 206, 217, 224
— уридиндифосфатгалактозы 192
— уридиндифосфатглюкозы 192
— фенолов 118
— флавоноидов 306
— фосфоглицеринового альдегида 207—209,
— хинонов 113
— хлорофилла 119
— цистеина 35
— цитохрома с 307
— цитохромов 116, 118
— цитохромоксидазы 116
— эфиров ненасыщенных жирных кислот
119
«-Окисление жирных кислот 263, 264
P-Окисление жирных кислот 262, 263
Окисленные цитохромы 115, 116, 118
Окисленный глютатион 35, 36, 83, 217, 218
— папаин 141
— ферредоксин 282
Окислительная диссимиляция жирных кис-
лот 216
— — пировиноградной кислоты 213
— — сахаров 238
— конденсация коричных спиртов 303
— циклизация сквалена 321
Окислительно-восстановительная система
107
Окислительно-восстановительное разложе-
ние аланина 352
— — гликокола 352
Окислительно-восстановительные реакции
(процессы) 9, 28, 82, 105—107, 117, 220,
224, 255, 264, 275, 306, 329, 396, 397, 399
— ферменты 59, 75, 77, 105
Окислительное брожение 231
— дезаминирование аминокислот 375, 376,
380, 396, 397
— — — ди карбоновых 376, 380
— — кислоты аспарагиновой 380
— — — глютаминовой 380
— декарбоксилирование 214
428
Окислительное декарбоксил и розан н е
кето кислот 74
— — а-кетокислот 81, 212
— — кислоты а-кетоглютаровой 213
— — — пировиноградной 210, 212, 213,
238, 239, 305, 397
-----щавелевоуксусной 241
— превращение аминокислот 224
— — гексоз 221
-----углеводов 221
— прогоркание жиров 247
— расщепление каротиноидов 335
— фосфорилирование 220, 221, 278
Окислительные ферменты 83, 84, 100, 114,
247
— — латекса 318
Окислительный распад дикарбоновых ами-
нокислот 397
Окись углерода 116, 117
Оксалаза 240
Оксалилкофермент А 241
Оксалатоксидаза 240
Оксалоацетатдекарбоксилаза 145, 218
Окси аминокислоты 28
Оксиантраниловая кислота 391
0-Окси ацил кофермент А 262
п-Оксибензальдегид 302, 303
п-Оксибензойная кислота 292, 293
Оксибензойные кислоты 292, 293, 299, 348
Оксигеназы 145
Оксигидрохинон 292
у-Оксиглютаминовая кислота 30
Оксигуанидиновые производные аргинина 31
Оксидаза кислоты гликолевой 113, 114
— —р-индолилуксусной 331
Оксидазы 111, 113, 114, 118, 303, 338, 339
Оксидоредуктазы 105, 106, 114, 118, 270
N-Оксиды алкалоидов 329
у-Окси-а-кетоглютаровая кислота 226
0-Окси-а-кетомасляная кислота 225
у-Окси-а-кетомасляная кислота 225
Оксикислоты 248, 263, 351, 352
а-Оксикислоты 240
Р-Оксикислоты 262
о-Оксикоричная кислота 294
п-Оксикоричная кислота 293—295, 304
Оксикоричные кислоты 293, 294, 299, 306
— спирты 294, 295
п-Оксикоричный спирт 303
Оксилегоглобин 353
Оксилизин 31
Р-Оксимасляная кислота 225, 354
Р-Окси-Р-метилглютарил-СоА 322
а-Оксиметил-О-рибоза 301
Оксиметилфурфурол 24
5-Оксиметилцитозин 55
Оксипировиноградная кислота 226
Оксипроизводное лизина 31
Оксипролин 24, 33, 178, 360, 361, 397
L-Оксипролин 31
Оксипропионовая кислота 226
Окситетрациклин 344
Окситирамин 386
Окситоцин 36
Окситриптофан 391
а-Окситриптофан 391
Оксиуксусная кислота 225
Оксифенилаланин 29
п-Оксифенилпировиноградная кислота 304
Оксициклопропил 407
Оксиянтарная кислота 226
Оксоизомераза 148
Оксо-форма глюкозы 156, 157
Октакозанол 248
н-Октакозанол 248
Олеиновая кислота 128, 244, 245, 248, 250
Олеостеариновая кислота 245
Олигазы 132
Олигомеры 42
Олигорибонуклеотиды 373
Олигосахариды 150, 151, 165, 193
Омыление жиров 246, 247, 256
Опий 326
Определение аминокислот 23, 24, 33
— — по Ван-Сляйку 23
— — по Сёренсену (формольное титрова-
ние) 24
— молекулярной массы белков 44, 45, 49,
50
— пектиновых веществ 181
— сахаров 161
Оптическая активность аминокислот 24 —
26
— — моносахаридов 152—154
— — органических соединений 11, 26
— изомерия 25, 227
Оптические изомеры аланина 24—26
— — аминокислот 25,,26
Организованные ферменты 10
Органические кислоты 128, 129, 148, 201,
223, 225, 228, 231, 234—239, 241, 287,
288, 378
— основания 324
— перекиси 118
— растворители 48, 243, 247, 251, 252, 302,
311
— соединения азотистые 351, 352, 355,
357, 378, 390
— — вторичного происхождения 288
— — стероидной природы 321
Оризенин 51
Орнитин 30, 102, 144, 146, 327, 328, 343,
360—362, 382, 383, 385, 397, 398
L-Орнитин 30
Орнитин-карбамоилтрансфераза 383
Орнитиновый цикл Кребса — Хензеляйта
382, 383
Оротовая кислота 372
Орселлиновая кислота 129
Орто-крезол 101
Ортофосфорная кислота 58, 126, 372
Орхинол 307, 349 \
Осаждение белков 22, 48, 49
Осахаривание крахмала 15, 134, 174
Основные аминокислоты 30, 32
Открытые формы моносахаридов 155
Очистка белков 46
— ферментов 46
Пальмитиновая кислота 128, 172, 244, 245,
248—250, 266
Пантотенилф-аминоэтантиол 213
Пантоилтаурамид 85
Пантоилтаурин 85
429
Пантотеновая кислота 27, 77, 78. 85, 99,
213, 336
Папаин 36, 97, 125, 127, 138, 139, 141, 143,
362, 375
Пара-аминобензойная кислота 79, 80, 84,
85, 336
Пара-крезол 101
Пара-оксибензол 341
Парафиновые углеводороды 248
Пектаза 129, 137, 181
Пектат кальция 181
Пектаты 129, 181
Пектин 129, 190, 193
Пектиназа 137
Пектиновая кислота 181, 182
Пектиновые вещества 137, 150, 151, 161,
163, 170, 180, 181, 190, 192
— студни 180, 181
Пектинэстераза 129, 137
Пектины 16, 180, 181
Пеларгонидин 297, 298, 306
Пеллагра 32, 68, 76, 77, 391
Пенициллин 340—342 ч
Пенициллиназа 341, 342
Пенициллины 341
Пенициллоиновая кислота 342
Пентагаллоил 301
Пентагаллоилглюкоза 301
Пентагаллоилхинная кислота 301
Пентаметилендиамин 145
Пентапептиды 34, 35
Пентенил 341
Пентозаны 159, 178—180, 190
Пентозофосфатный путь (цикл) 190, 191,
222, 291
Пентозофосфаты 127, 222
Пентозы 54, 147, 151, 159, 161, 165, 183,
189—191, 232, 250, 259, 261
Пеонидин 297, 298, 305, 306
Пепсин 10, 45, 100, 103, 138, 139, 355, 356
Пепсиноген 139
Пептидазы 137
Пептидгидролазы 137, 138
Пептидилтрансфераза 371
Пептидная связь 34—36, 42, 46, 362
Пептидные цепи 36, 38
Пептиды 27, 34, 125, 362, 374
Пептоны 233, 234
Первичная структура белка 37, 38, 42
— — папаина 141, 142
— — транспортных РНК 62
Первичные дегидрогеназы 109
Переаминирование 76, 123, 124, 359, 361,
379, 380, 381
— кислоты глиоксилевой 281
— — глютаминовой 354
— — щавелевоуксусной 286
Перегликозилирование 125, 192, 194
Перекиси жирных кислот 118, 119, 247
— каротиноидов 118, 255
— терпенов 118
Перекись водорода 99, 117—119, 232, 263,
331
— каротина 118
— хинона 118
Перенос водорода 75, 77, 106—111, 114, 216,
217, 219, 222
Перенос электронов 116, 117, 217, 219, 221,
275, 277—279, 307, 354, 405
Переносчики водорода 106—108, 217, 306,
307
— электронов 116, 275, 279, 307
Переэстерификация хлорофилла 129
Пероксидаза 52, 99, 100, 118, 263, 270, 272,
303, 331, 336
— жирных кислот 263, 264
— хрена 118
Пероксисомы 281, 282
Период идентичности 316
Персеит 164
Перспективные формулы 155, 156
Перуанский бальзам 315
Петролейный эфир 247, 252, 317
Петунидин 297, 298
Пигмент 680 277
— 700 277
Пигменты 42, 243, 251—253
Пизатин 348, 349
Пикокатал 97
Пинен 314, 315, 319
Пинит 290
Пипеколиновая кислота 32, 361, 362
L-Пипеколиновая кислота 32
Д'-Пиперидеин-2-карбоновая кислота 328
Пиперидин 388
Пиперидиновые алкалоиды 388
Пиперитенон 314
Пиперитон 314
Пиран 155, 157, 158, 295
а-Пираноза 157, 159, 160
Р-Пираноза 157, 159
Пиранозы 155, 157 (
Пиридин 324, 325, 328
Пиридиннуклеотиды 107—109
Пиридиновые алкалоиды 324, 325, 328, 387
— гетероциклы 362
— дегидрогеназы 107, 109, 217, 218, 329,
391, 398
— коферменты 109
— ферменты 109
Пиридин-З-сульфокислота 85
Пиридоксалевые ферменты 304
Пиридоксаль 272
Пиридоксальфосфат 146, 387, 391, 402
Пиридоксин 76, 87, 89
Пиримидин 55, 87, 88
Пиримидиновые нуклеотиды 62, 371, 372
— основания 54—57, 59—61, 373
Пиритиамин 85, 86
Пировиноградная кислота (пируват) 74, 81,
120, 123, 145, 149, 209, 210, 212, 214 —
218, 221, 222, 226, 229, 235, 237—239,
259, 282, 286, 287, 326, 327, 354, 359, 376,
397, 398, 403
Пирогаллол 292, 329
Пирокатехин 292, 303
Пиромеконовая кислота 232, 233
5-Пирофосфомевалоновая кислота 322
Пирофосфорная кислота (пирофосфат) 365,
372, 374
5-Пирофосфорный эфир мевалоновой кис-
лоты 320
Пиррол 269, 270, 272
Пирролидин 324, 325, 327, 387
430
Пирролидин-а-карбоновая кислота 31
Пирролидиновые алкалоиды 324, 387, 388
— гетероциклы 362
Пируватдегидрогеназа 212, 213
Пируватдекарбоксилаза 74, 98, 99, 145, 209,
212, 398
Пируваткарбоксилаза 149, 215, 229, 239
Пируваткиназа 209
Пируватфосфокиназа 210
Пихтовая живица 315
Пищеварительные ферменты 15, 35
Пищевые дубильные вещества 302
Плазмиды 64
Пластиды 52, 243, 272, 273
Пластохинон А 279
— В 279
— С 279
— D 279
— Е 279
Пластохиноны 255, 275, 277—279, 288, 307,
319, 397
Пластоцианины 277—279
Платифиллин 329
Плодовый сахар 153, 162
Полиадениловая кислота 373
Поли азы 132, 133
Полигалактуроназа 137
Полигалактуроновая кислота 129, 137, 180,
181, 193
Полигидроксилированные стеролы 257
Полиглюкозиды 182, 187
Полиены 320
Полиизопреновая цепочка гуттаперчи 316,
317
— — каучука 316, 317
Полимеризация катехинов 296
— нуклеозиддифосфатов 371
— нуклеозидтрифосфатов 371
— нуклеозидфосфатов 372
Полимеры галактозы 192
— катехинов 301, 302
— каучука 317
— лейкоантоцианов 301
— р-оксимасляной кислоты 225, 354
Полиневрит 68, 73
Полинуклеотидфосфорилаза 373
Полинуклеотиды 59, 60, 372, 373
— ДНК 63, 64, 366, 367
— РНК 63
Полиозы 150, 151, 170
— второго порядка 150
— первого порядка 150
Полиф-оксибутират 355
Полипептидная теория строения белков 36
Полипептидные связи 38
—цепи 36—42
Полипептиды 34—36, 362
Полипренолпирофосфаты 323
Полипренолы 324
Полирибосомы 371
Полисахариды 125, 150, 151, 161, 280, 281
— бактерий 182, 183
— вишневого клея 180
— второго порядка 150, 151, 170
— клеточных стенок 176. 178, 180—182,
192, 194
— первого порядка 150, 151, 165, 175
Полисомы 371
Политерпены 312, 316, 319
Полиуридиловая кислота 368, 373
Полиуронидные гемицеллюлозы 179
Полиурониды 161, 179, 189
Полифенилаланин 368
Полифенолоксидаза 100, 109, 111—113, 118,
218, 303, 304, 306, 307, 377
Полифенолы 112, 113, 223, 300, 306, 307,
330, 377
Полифосфаты 122, 285
Полифруктозиды 162, 175, 182, 187, 189
Полуацеталь 155
Полуклетчатки 178
Порфирины 115, 269, 270, 272
Порфобилиноген 272, 273
Правило Вант-Гоффа 203
— Ружички 319
— Ч аргаффа 60, 61, 63
Превращения алкалоидов 329
— амидов 144, 380
— аминов 389
— аминокислот 76, 79, 99, 226, 234, 375,
379, 382, 391, 392, 396, 397
— — активированных 366
— — дикарбоновых 380
— аммиака 378
— ацетила 318
— белков 16, 17, 90, 235, 382, 396, 397
— восков 266
— гемицеллюлоз 191
— гликогена 158, 195
— глюкозо-6-фосфата 222
— глюкозы 154, 156, 157, 189, 190, 221
— жиров 147, 201, 216, 223, 261, 264, 265
— инулина 189
— кетокислот 376
— кислот жирных 262
— — органических 144, 145, 228, 234, 235,
238, 239, 397
— кислоты аспарагиновой 79, 234, 235, 381
— — гликолевой 281
— — глютаминовой 354, 381
— — лимонной 213
— — пировиноградной 209, 212, 214, 215,
221
— — фосфо глицериновой 183, 279
— — фосфо глюко но вой 189, 190, 222
— — щавелевой 240
— крахмала 90, 158, 186, 187, 189
— левулёзанов 189
— мио-инозита 289
— моносахаридов 151, 152, 154, 155, 183
— пентозофосфата 222
— полифруктозидов 189
— порфобилиногена 272
— продуктов фотосинтеза 273
— пролина 360
— рибулозо-5-фосфата 190
— рибулозы 190
— сахаров 58, 183, 206, 209
— сахарозы 185—187, 189
— серина 79
— соединений азотистых 329, 375, 378, 380
— — ароматических 235
— — гидроароматических 235
— — органических 90. 288, 398, 399
431
Превращения треонина 79
— триптамина 385
— триптофана 385 , 391
— углеводов 74, 108, 130, 151, 175, 186,
187, 189, 191, 194, 201, 226, 238, 318, 359
— фосфоглицеринового альдегида 207 —
209
207
188
209
217
— фосфодиокси ацетон а
— фосфолипидов 264
— фосфотриоз 221
— фруктозы 154, 189
Прегненолон 321, 323
Предельные декстрины
Префенатдегидратаза 304
Префен атд еги дро ген аз а
рующая) 304
Префеновая кислота 304
Провитамин А 70
Провитамины D 71
Прогестерол 321
Прогоркание 128
— жиров 247, 250
— растительных масел 72
Продукты брожения 147,
209
— дыхания 197, 201, 206,
— обмена веществ 105, 144, 288, 291
— фотосинтеза 159, 164, 183, 268, 273, 279,
280, 282, 283
— хемосинтеза 285
— цикла Кребса 226—228
Производные бензохинона 279
— гексагидробензола 289
— гексоз 160
— 2,3-диметокси-5-метилбензохинона
— дитерпенов 315
— дифенилпропана 299
— изопрена 270
— изохинолина 324, 326
— индола 325, 326
— каротина 69
— кверцетина 330
— кислоты Р-индолилуксусной 331
— — а-кетоглютаровой 226
— — феноксиуксусной 338
— ликопина 253, 254
— многоатомных спиртов 151
— моносахаридов (моноз) 161, 162
— нафтохинона 73
— пенициллина 341, 342
— пирана 155
— пиридина 324, 328
— пиримидина 55, 87, 88
— пиррола 272
— пирролидина 324
— пурина 54, 325
— сахаров 169
— стеролов 256
— тиазола 87, 88
— хинолина 324, 326’
— фенольных соединений 307
— флавана 295
— фурана 156
— цеатина 335
— цианокобаламина 82
— циклопентанопергидрофенантрена 256
Проламины 51
(декарбоксили-
197—200, 206,
Пролидаза 138, 139
Пролин 24, 31—33, 40, 51, 138, 139, 327,
343, 345, 360, 361, 368, 391, 397, 398
D-Пролин 25
L-Пролин 31
Пролиназа 138, 139
Промоторы биосинтеза ферментов 404, 405
Пропионил-СоА 286
Пропионовая кислота 11, 128, 200
Пропионовокислое брожение 200
Простетическая (активная) группа амино-
трансфераз 391
— — белков 52
— — дегидрогеназ 99
— — — анаэробных 107
— — — аэробных 109
— — — пиридиновых 397
— — декарбоксилаз 146, 391
— — карбоксилаз 149
---каталазы 99, 100, 114, 118, 119, 272
— — пероксидазы 100, 114, 118, 119, 272
— — пируватдекарбоксилазы 99, 145
— — ферментов 98, 99, 100
— — — окисления аминокислот 99
— — — карбоксилирования 79
— — — окислительно-восстановительных
75
— — — окислительных 99
— — — флавиновых 109, 110
— — цитохромов 114
— — цитохромоксидазы 116
Простые белки 50, 51
— крахмальные зерна 171
— углеводы 150
Протамины 51
Протеазы 128, 137, 138, 362, 384
Протеиды 50, 52
Протеиназы 137—141, 143, 375
— насекомоядных растений 355, 356
— типа катепсина 139
— — папаина 139, 141, 143, 375
Протеиноиды 51
Протеины 50
Протеолитические ферменты 97, 125, 141,
143, 351, 362, 374, 375
— — латекса 318
— — насекомоядных растений 355, 356
Противопеллагрический витамин 325
Протоалкалоиды 329, 389
Прото ген 81
Протокатеховая кислота 292, 293, 303, 305,
307
Протокатеховый альдегид 101
Протомеры 42
Протонный насос 221, 278
Протопектин 137, 180, 181
Протопектиназа 137, 180
Протопорфирин 9 272, 273
Протромбин 73
Псевдоурацил 55
Пурин 54, 82, 325
Пуриннуклеозидфосфорилаза 127
Пуриновые алкалоиды 325
— нуклеотиды 371
— основания 54, 56, 59, 113, 373» 384
----ДНК 60
Пурпуреогликозид А 310
432
Путресцин 146, 385—388, 398
Путь Эмбдена — Мейергофа — Парнаса
212
Пчелиный воск 248
Раздревеснение 192
Разложение аминов 352
— аминокислот 351, 352
— белков 10, 16, 351
— жиров 10
— крахмала 10
— органических соединений 10, 351
— перекиси водорода 92, 97, 99, 118, 232,
241
— мочевины 143, 351, 352
— щавелевоуксусной кислоты 218
Рамногалактуронан 178
З-Рамно гликозид 298
7-Рамноглюкозид гесперетина 297
З-Рамноглюкозид кверцетина 299
7-Рамноглюкозид нарингенина 297
Рамноза 150, 160, 299, 310
L-Рамноза 160
З-Рамнозид кверцетина 299
2-0-а-Ь-рамнозил-Ь-глюкопираноза 297
б-О-а-Ь-рамнозил-Э-глюкопираноза 297
Распределительная хроматография 252
Растворимая липаза 128
Растворимость белков 46—51
Растворимые углеводы 191, 192, 195
— ферменты 10
Растворимый крахмал 174
— пектин 137, 180, 181
С3-растения 282
Страстен и я 282
Растительное масло горчичное 245
— — какао 245
— — клещевинное 245, 261
— — кокосовое 245
— — кукурузное 245
— — льняное 245, 399
--- оливковое 245
— — подсолнечное 245, 408
— — рапсовое 245
— — соевое 245
— — тунговое 245
— — хлопковое 245
Растительные жиры 244, 245
— масла 244—246, 399, 406, 408
— протеиназы 141
— слизи 16
Расщепление (распад) аденозинтрифосфата
120
— амидов 102, 138, 380
— амилозы 132
— амилопектина 134
— L-аргинина 30
аспарагина 380
— белков 102, 128, 143
* — а-галактозидов 132
— галлотаннина 300
— гексоз 222
— глицеридов 128
— глобулинов 143
— а-глюкозидов 132
— 0-глюкозидов 132
- глютамина 380
Расщепление дипептидов 137, 1Эв
— дисахаридов 132
— жиров 261
— инулина 191
— каучука 319
кислоты изолимонной 147, 240
— — пировиноградной 74, 98, 145, 209
— — угольной 100, 145
— клетчатки 192
— крахмала 133, 134, 136, 174
— нуклеозидов 127
— нуклеозидтрифосфатов 48, 107
— пектиновых веществ 137
— пептидов 128, 137, 138
— полипептидов 137, 138
— полисахаридов 132
— протопектина 137
— рибонуклеиновых кислот 130
— рибулозо-1,5-дифосфата 145
— сахарозы 132, 185, 401
— сахаров 287
— синигрина 309
— связей амидных 140
— — а-глюкозидных 132
— — 0-глюкозидных 132
— — пептидных 140
— — пирофосфатных 106
— — сложноэфирных 102, 127—129, 140
-----С—N
— терпеноидов 319
— фруктозодифосфата 144, 146, 207
— фруктозофосфата 207
— хлорофилла 129
Рафиноза 132, 150, 162, 167, 169
Рахит 68, 71
Рацемические соединения (рацематы) 152,
227
— (ВЬ)-аминокислоты 25
Реакции на белки 22
Реакция Адамкевича 22, 32
Реверсия глюкозы 168
Регуляторы роста 288, 289, 330, 336, 337
Регуляция активности генов 405
— биосинтеза белков 405, 407
— — специфических белков-ферментов 363
— — терпеноидов 323
— — ферментов 105, 402—404
— действия ферментов 42, 105, 399
— обмена веществ 363
— фотосинтеза 145
Резорцин 292
Рейноитрин 299
Реннин 139
Реятгеноструктурный анализ 41, 42, 45,
177, 316
Репрессия биосинтеза ферментов 402, 403,
405
— генов 402, 404, 405
Репрессоры 404, 405
— биосинтеза ферментов 402—405
Ретарданты 336
Ретен 316
Ретиналь 283
Рибит 163
D-Рибит 75, ПО
Рибоальдозо-5-фосфат 147, 189
Рибоза 54, 56, 57, 59, 127, 147, 159, 163, 373
433
D-Рибоза 59, 159, 163, 213
Рибозид дигидроцеатина 335
Рибозофосфат 189, 222, 280
Рибозо-1-фосфат 127, 189
Рибозо-5-фосфат 147, 189, 190, 281, 371
Рибозофосфат-изомераза 147, 148, 189, 280
Рибокетозо-5-фосфат 147, 189
Рибонуклеаза I 130, 131
— II 130
Рибонуклеазы 36, 41, 45, 62, 130, 131, 363
Рибонуклеиновые кислоты (РНК) 9, 59, 60,
62, 63, 147, 159, 362—364, 366, 373
— — вируса табачной мозаики 363
— — вирусов 64—66, 363, 364
— — хлоропластов 273
РНК-зависимые РНК-полимеразы 374
РНК-посредник 366
Рибонуклеозидтрифосфаты 373
Рибо нуклеопротеиды 66
Рибополинуклеотиды 374
Рибосомальная РНК (рРНК) 59, 62, 364,
365, 368
Рибосомы 9, 63, 66, 364—371, 402
— митохондрий 365, 369, 371
— хлоропластов 365, 369, 371
— цитоплазмы 365, 369, 371
Рибофлавин 75—77, 89, 109, ПО
Рибофураноза 56
Рибофуранозо-1-фосфат 189
Рибофуранозо-5-фосфат 189
Рибулоза 148, 159, 189, 190
D-Рибулоза 159
Рибулозодифосфат 280, 281, 283, 285, 286
Рибулозо-1,5-дифосфат 145, 281
Рибулозодифосфат-карбоксилаза 145, 273,
280—283, 286
Рибулозофосфат 189, 222, 277, 280
Рибулозо-5-фосфат 147, 189, 190, 222, 281
Рицин 52
Рицинолевая кислота 245, 260, 261
Родопсин 283
Рубредоксины 117
Рубробрассицин 298
Рутин 81, 299, 330
Рутиноза 297, 299
Салициловая кислота 303
Салициловый альдегид 101
— спирт 101
Сапогенины 256, 311
Сапонины 256, 311
Саркозин 345
Сахара 150, 159, 161, 169, 184, 191, 192, 223,
237, 242, 250, 251, 258, 259, 261, 264,331,
345, 357, 358, 407, 408
— влияние условий внешней среды 400
— нуклеиновых кислот 54, 59
Сахараза 92, 97, 127, 132, 166, 169
Сахарная кислота 160, 161
Сахарогенамилаза 134
Сахароза 58, 97, 125—127, 132, 133, 150,
162, 166, 169, 170, 183—189, 191, 195,
223, 265, 279—281, 407, 408
Сахарозо-глюкозилтрансфераза 126
Сахарозосинтаза 185
Сахарозо-6-фосфат 185
Сахарозофосфат-синтаза 185
Сахарозофосфорилаза 126, 127, 185
Сбраживание галактозы 162, 199, 401
— гексоз 199, 212
— глюкозы 162, 199
— дисахаридов 166—168, 199
— лактозы 167, 199
— мальтозы 167, 199
— маннита 364
— маннозы 162, 199
— мелибиозы 167
— пентоз 199
— рафинозы 364
— сахаров 162, 199, 200, 227
— сахарозы 166, 199
— стахиозы 169
— трегалозы 168, 364
— фруктозы 162, 199
Свекловичный сахар 166
Свертывание белков 22, 47
— крови 73
Световые реакции фотосинтеза 183, 275—
279
Сегнетова соль 227
Седиментация белков 44—46
Седогептулоза 164
D-Седогептулоза 164
Седогептулозо-1,7-дифосфат 281
Седогептулозофосфат 280
Седогептулозо-7-фосфат 190, 191, 281
Секалин 175
Селекция растений 407, 408
Сенецифилин 329
Сера 309, 354
Сердечные гликозиды 256, 310, 323
Серин 28, 32, 33, 124, 249, 260, 279, 281,
334, 343, 368, 385, 386, 390, 402
L-Серин 27
Серинфосфорная кислота 28
Серная кислота 129, 284
Сернокислый аммоний 379, 393
Серный эфир 243, 247, 256, 317
Сероводород 119, 283, 284, 375
Сероуглерод 247, 252, 317
Серуокисляющие микроорганизмы 283—
285
Серусодержащие аминокислоты 360
Сесквитерпеновый диальдегид 349
Сесквитерпеноид 335
Сесквитерпены 312, 315, 319, 322, 349
Сефадекс 50
Сивушные масла 27, 198, 376, 377
Симазин 339
Синальбин 309
Синаповая кислота 293, 294, 304, 305, 306
Синаповый спирт 295, 303
Синерезис 47
Синигрин 129, 308, 309
Синильная кислота (цианид) 114, 116, 119,
141, 218, 308, 375
Синтез аммиака 355
— белков 10, 362
— в живой клетке, см. Биосинтез
— аскорбиновой кислоты 83
— витаминов 10
— генов 10
— глюкозидов 132
— жиров 6, 10
434
Синтез инсулина 7
— камфоры 311
— каротиноидов 10
— мочевины 6
— нуклеиновых кислот 7, 10
— органических соединений 5—7, 10,
— пептидов 362
— полипептидов 35, 362
— рибонуклеазы 7
— сахаров 6
— терпенов 10
— углеводов 10
— хлорофилла 269
Синтетаза жирных кислот 260
— крахмала 186
Синтетазы 106, 148
Синтетическая РНК 373
Синтетические ауксины 330
— пенициллины 341, 342
— полинуклеотиды 368
— полипептиды 35
— поли рибонуклеотиды 368, 373
Сиреневая кислота 292, 293
Сиреневый альдегид 302, 303
Ситостеролы 256, 257
Скатол 385
Сквален 266, 316, 321, 322, 324
Скипидар 311, 313, 315
Складчатая структура белков 41
Скополетин 295, 305
Сладость белков 170
— сахаров 169, 170
Слизевая кислота 160, 161, 165
Слизи 150, 151, 161—163, 179, 180
Слизистые полисахариды 182, 187
Сложные белки 50, 52
— крахмальные зерна 171
— сахара 165
— углеводы 150
Смолообразные продукты 315
Смолы 289, 311, 315, 316, 329
Смоляные кислоты 315, 316
— спирты 316
Соланаин 143
Соланидин 309, 310
а-Соланин 309, 310
Р-Соланин 310
у-Соланин 310
Соланины 308, 309
Соласодин 310, 311
Соласонины 310
Соли алкалоидов 324
— аминокислот 23, 26
— антоцианов 298
— кислот жирных 246
— — органических 225, 233, 324
— — фосфатидных 250
— кислоты альгиновой 182
— — винной 233, 324
— — лимонной 233, 324
— — уксусной 229, 233
— — фумаровой 233
— — щавелевой 226
— — яблочной 233, 324
— — янтарной 233
Солодовая амилаза 103, 133, 136
Солодовый сахар 150, 167, 191
Сополимеры флавоноидных соединений 301,
302
Сорбит 152, 163—165, 170, 194, 195, 231
D-Сорбит 163, 164
Сорбоза 125, 127, 163, 164, 231
311 D-Сорбоза 163
Спектрополяриметр 41
Спектрополяриметрия 41
Специфическая последовательность ами-
нокислот 366, 368
— репрессия биосинтеза ферментов 402
— структура белков 363, 364, 366, 368
Специфические активаторы ферментов 103—
— белки 407
— белки-тетрамеры 407
— жирные кислоты 245
— ингибиторы ферментов 103—105, 114
— полисахариды бактерий 183
Специфичность белков 406, 407
— биосинтеза белков 363, 364
— действия витаминов 336
— — гербицидов 338, 339
— — гиббереллинов 337
— — ферментов 97, 100 —102
— регуляторов роста 336, 337
Спинастеролы 257
Спирализация белковых молекул 40, 41
Спиртовое брожение 7, 10, 27, 107, 108,
144, 146, 158, 175, 198—201, 204, 209,
210, 212, 226, 376, 377, 397
Спирты 128, 129, 243, 247
Статическая биохимия 4
Стахидрин 391
Стахиоза 150, 169
Створаживание молока 139
Стеариновая кислота 128, 172, 244, 245,
248—250
Стереоизомерия моносахаридов 152
Стереоизомеры молочней кислоты 153
— моносахаридов 152
Стереоспецифичность биосинтеза тер-
пеноидов 323, 324
Стеролы 71, 72, 256, 257, 266
Стероидные гормоны 310
С27-стероидный алкалоид 310
— сапогенин 310
Стероиды 243, 255, 256, 319, 321—323, 397
Стигмастерол 257
Стимуляторы азотфиксации 353, 355
— действия ИУК 330, 331
— клеточного деления 334, 335
— роста 56, 79, 84, 86, 289, 307, 330, 331,
333, 334, 336—338, 385, 386, 392
— цветения 333
Стрептидин 342, 343
Стрептобиозамин 342, 343
Стрептомицин 340, 342, 345
Стрептоцид 84, 340
Структура белков 37, 38, 40, 42—44
а-Структура белков 40, 41
— ферментов 41
P-Структура белков 41
Структурные гены 403—405
Ступенчатая ферментативная реакция НО
Субчастицы рибосом 365, 369, 371
Суккуленты 226, 227, 235—238, 240
435
39,
Сукцинатдегидрогеназа 104, 215, 241
Сукцинил 78
Сукцинилкофермент А (сукцинил-СоА) 272,
273, 282
Сульфамидные препараты 340
Сульоаниламидные препараты 84, 85
Сульфаты 360
Сульфгидрильные группы 28, 35, 38,
47, 141
— соединения 103, 141
Сульфидин 340
Сульоидная сера белка 117
Сульфитация овощей 84
Сульфитные щелока 302
Сульфиты 360
Сульфокислоты 246 ,
Сульфолипиды 243, 246, 275
Сушка белков 48
Сферой ласты 341
Сциллит 289
Сычужный фермент 139
Такадиастаз 132
Танназа 128, 129, 300
Таннин 81, 128
Тауматин 170
Темновые реакции фотосинтеза 183, 275,
278—280
Температура клейстеризации крахмала 172
Теобромин 54, 55, 325
Терминальные оксидазы 217, 218
Терминация биосинтеза белка 369
Терминирующие кодоны 368, 371
Терпеновые альдегиды 312, 313
— спирты 312, 313
Терпеноидные алкалоиды 325
— соединения 319, 323
Терпеноиды 255, 288, 316, 318—323, 331,
335, 397, 398
— хлоропластов 323
Терпены 255, 312, 319, 397
Террамицин 344, 345
Тетрагаллоил 301
Тетрагидрофолиевая кислота 80
Тетракоз анол 248
Тетрамеры 42
Тетраметилендиамин 146
Тетраоксихалкон 305
Тетрапептиды 34, 35
Тетрапиррол 272
Тетрасахариды 150, 151, 165, 169
Тетратерпены 312, 316, 319
Тетрациклин 344
Тетрациклины 340, 344
Тетрозы 151, 159, 191
Техническая биохимия 12—14, 18, 19
Тиазол 87, 88
Тиамин 73, 85—89, 145
Тиаминпирофосфат 74, 81, 145, 212, 213,
403
Тилакоиды 273—275, 278
Тимидиловая кислота 57—59
Тимидин 57, 374
Тимидиндифосфат (TDP) 58, 59
Тимидинмонофосфат (ТМР) 58, 59
Тимидинтрифосфат (ТТР) 58, 59
Тимин 55, 57, 59—61» 63
Тиогликозидаза 129
Тио гликозиды 129, 309
Тиокиназная реакция 305
Тиоктовая кислота 81
Тиоэтиламин 78
Тиоэфиры 129, 213
Тирамин 146, 386, 388, 389
Тирозин 26, 29, 32, 33, 139, 146, 279, 303,
304, 328, 329, 362, 368, 375, 376, 378, 389
L-Тирозин 29
Тирозиназа 29, 112 .
Тирозол 376 !
Тироцидин 36, 343
Токоферолы 72, 247
а-Токоферолы 72
Р-Токоферолы 72
у-Токоферолы 72
6-Токоферолы 72
Токсины фи то патогенов 349
Токсические (ядовитые) алкалоиды 324—
326, 328, 400
— антибиотики 345, 346
— белки 52
— полипептиды 36
— цикло пептиды 36 х
Тонкослойная хроматография 252
Тонопласт 105
Трансальдолаза (ТА) 190, 191
Д3-Транс-гексадеценовая кислота 250
Трансгликозил азы 186, 259
Трансгликозилирование 126, 185, 186, 183,
194, 195
Трансгликозилирующие ферменты 191
Транскетолаза 190, 191, 280
Транс-коричная кислота 378
Транслокация 371
Транс-о-оксикоричная кислота 295
Транс-оксикоричные кислоты 294, 295
Транспептидация 125, 127, 362
Транспортные нуклеиновые кислоты 55,
149
— рибонуклеиновые кислоты (тРНК)59,61,
149, 335, 366, 369
— углеводы 186, 187
Транс-терпеноиды 323, 324
Транс-фарнезол 324
Трансферазы 105, 120, 124, 125, 127, 193
Транс-феруловая кислота 294
Трансформация бактерий 364
Трансфруктозилирование 187
Трегалоза 58, 166—168, 195
Трегалозо-6-фосфат 185
Треонин 28, 32, 33, 279, 345, 368
L-Треонин 28, 403, 404
Треониндегидратаза 403, 404
Третичная структура белков 42, 43
----РНК 62, 63
----тРНК 62
S-Триазин 339
н-Триаконтан 248
Триаконтанол 248
н-Триаконтанол 248
Тригаллоил 301
Триглюкозид цианидина 298
Тригонеллин 392
Три метил амин 390
Триозофосфат-изомераза 147, 207, 209, 280
436
Трисзофосфаты 265, 279, 398
Триозы 151, 191, 216, 221, 277
3,4,5-Триоксициклогексен-(1)-карбоновая
кислота 291
Триолеат 245
Трипептиды 34, 35
Триплеты нуклеотидов 368
---тРНК 369
Трипсин 43, 102, 138, 139, 140
Трипсиноген 140
Триптамин 385, 388
Триптофан 32, 33, 36, 40, 77, 125, 357, 368,
385, 391—393, 399, 402, 408
L-Триптофан 32
Триптофан-синтаза 386, 402
Трисахариды 150, 151, 162, 165, 167, 169,
296, 309
Тритерпены 312, 316, 319, 321, 322
Трифенолы 292
Трифосфопиридиннуклеотид (TPN) 108, 109
Трициклические углеводороды 316
Трицин 298, 305
Тропин 387, 388
Тропинон 387, 388
Тростниковый сахар 150, 166, 169, 182, 194,
195
Тулипозид А 347
— В 347
Тягучая болезнь хлеба 182, 187
Убихиноны 117, 217, 255, 279, 288, 307, 319,
397
Углеводороды 223, 243
— восков 248, 266
Углеводное питание 184
Углеводы 149, 150, 151, 201, 216, 223, 233,
257, 258, 264, 265, 288, 318, 322, 354, 355,
358, 378, 379, 398
— хлоропластов 273
Углеродное питание 223, 266, 287, 357, 358
Угнетение а-амилазы 135
— 0-глюкозидазы 132
— роста 338—340, 346, 348
— — микроорганизмов 84—86
Угольная ангидраза 100, 145
— кислота 100, 145
Уксусная кислота 26, 128, 148, 199, 200,
209, 210, 225, 228, 230, 231, 233, 234,
238, 240, 259, 266, 305, 328, 352
Уксуснокислое брожение 225, 231
Уксуснокислый эфир линалоола 313
Уксусный альдегид, см. Ацетальдегид
Ультрамикроопределение витамина С 309
Ультрацентрифугирование белков 49
Уравнение Лайнуивера — Берка 94, 96
— Михаэлиса — Ментен 93—96
— Холдейна — Бриггса 95
Уратоксидаза 113, 384
Урацил-55, 57, 59, 61, 63, 363, 368, 373
Уреаза 44, 45, 49, 100, 143, 382
Уридиловая кислота 57, 59, 372
Уридин 57
Уридиндифосфат (UDP) 58, 59, 122, 184—
188, 192, 373
Уридиндифосфат-L-арабиноза (UDP-L-apa-
.биноза) 193
Уридиндифосфат-М-ацетилглю'козамин 194
Уридиндифосфатгалактоза (UDP галактоз а)
192, 259
Уридиндифосфатгалактуро новая кислота
(иЭРгалактуроновая кислота) 193
Уридиндифосфат-В-галактуроновая кисло-
та (UDP-D-галактуроновая кислота) 184,
193
Уридиндифосфатглюкоза (иВРглюкоза) 126,
185—188, 192, 265
Уридиндифосфатглюкозодегидрогеназа
(иВРглюкозодегидрогеназа) 193
Уридиндифосфат-D-глюкуроновая кислота
(UDP-D-глюкуроновая кислота) 184, 193
Уридиндифосфатксилоза (иВРксилоза) 193
Уридиндифосфат-В-ксилоза (UDP-D-кси-
лоза) 184, 193
Уридиндифосфатуроновые кислоты
(UDP уроновые кислоты) 189, 190
Уридинмонофосфат (UMP) 59
Уридинтрифосфат (UTP) 58, 59, 122, 366,
367, 372
Уриказа 113
Уроновые кислоты 79, 161, 179, 184, 189,
190, 192, 222
Усниновая кислота 347, 348
Фазеолин 51
Фазеолиновая кислота 294
р-Фактор биосинтеза РНК 373
а-Фактор биосинтеза РНК 373
Факторы роста 78—80, 84
Фарнезилпирофосфат 320, 322, 323, 333,
335
Фарнезол 271, 320, 324
Фелингова жидкость 161, 166—169
Фанантрен 223
Фенилаланин 29, 32, 33, 40, 125, 139, 279,
291, 304, 327, 328, 343, 362, 368, 378
D-Фенилаланин 25, 343
L-Фенилаланин 29, 305
Фенилаланин—аммиак-лиаза 378
Фенилпировиноградная кислота 304
Р-Фенилэтиловый спирт 312
Фенокси ал кил карбоновые кислоты 338, 339
Феноксиуксусная кислота 338
Фенолкарбоновые кислоты 293
Фенольные мономеры 300—303
— полимеры 300, 302, 303
— соединения 234, 288, 291, 292, 295, 299,
300, 304—308, 336
— — группы С6—С4 292, 305
-------С6—С3 292, 293, 294
-------С6—С3—С6 292, 295 •
Фенолы 101, 128, 247, 316, 331
HS-Фермент 208
S-Фермент 208
Ферментативный катализ 90, 92, 96—98,
100, 102, 103
— синтез 11, 96, 97
Ферментация табака 14
Ферментная адаптация 401
Ферментология 7, 15
Фермент-субстратные комплексы 92—98, 104
Ферменты 7, 9, 10, 11, 14, 15, 21, 36, 39,
41—44, 56, 69, 90, 92—100, 139, 140, 163,
396
— активирования аминокислот 365, 366
437
Ферменты биосинтеза полирибонуклеотидов
374
— влияние кислотности (pH) среды 103
— — температуры 102, 103
— — условий внешней среды 401
— восстановления нитратов 358, 359
— гидролиза пектиновых веществ 137, 181
— гликолиза 209, 222
— дезаминирования аминокислот 377, 378
— декарбоксилирования аминокислот 76
— изомеризации 106
— карбоксилирования жирных кислот 79
— латекса 318
— окисления ИУК 331
— — a-о кси кислот 240
— а-окисления 263
— Р-окисления 262
— окислительного декарбоксилирования ке-
то кислот 74
— оптимальная зона pH 103
— пентозофосфатного пути 222
— переаминирования 76
— переноса 105
— — групп аминных 123
— — — метильных 124
— — — фосфатных 120
— — остатков аминокислот 124, 125, 140
— — — моносахаридов 124, 125
— протеины 100
— синтеза фосфатидов 58
— углеводного обмена 58
— фосфорилирования сахаров 184
— цикла Кребса 230
Ферредоксин — МАОР+-редуктаза 277
Ферредоксины 117, 217, 275, 277—279, 282,
354, 355, 360
Феруловая кислота 293, 294, 304, 305, 306
Фибриллярные (нитевидные) белки 44, 47
Фибриноген 44, 51
Фиброин 44, 51
Физиологическая химия 4, 5
Фикобилины 272, 277
Фикоцианины 271, 272, 276
Фикоцианобилины 272
Фикоэритрины 271, 272, 276
Фикоэритробилины 272
Фиксация (связывание) аммиака 378, 383
— молекулярного азота 117
— углекислого газа 229, 230, 237, 239,286
Филлохинон 73
Фитаза 130, 290
Фитин 79, 130, 290
Фитоале|ссины 307, 348, 349
Фитогемагглютинины 52
Фитогормоны 331, 338
Фитоин 320, 322, 324
Фитол 73, 255, 270, 271, 315, 319
Фитопатогены 349
Фитостерины 321
Фитосфингозин 251
Фитофлуин 320
Фитохром 333, 334
Фитонциды 346—348
Фицин 97, 141, 362
Флаван 295
Флаваноновые гликозиды 297
— дигликозиды 297
Флаваноновые 7-моногликозиды 297
Флаваноны 295, 297
Флавин 109
Флавинадениндинуклеотид (FAD) 75, 110,
114, 212, 213
Флавинмононуклеотид (FMN) 75, ПО, 114
Флавиновые дегидрогеназы 109, 116
— ферменты 108—111, 117, 217, 218, 262
Флавоновые гликозиды 163, 298
— пигменты 298
Флавоноидные глюкозиды 296
Флавоноиды 296—297, 299, 305, 306
Флавоноловые гликозиды 299
— пигменты 299
Флавонолы 295, 299
Флавоны 295, 298
Флавопротеидные дегидрогеназы 109
— ферменты ПО
Флавопротеиды 109, 217, 307, 331
Фло ретин 299
Флоридзин 299
Флоридзиновый диабет 299
Флороглюцин 292
Фолиевая кислота 79—81
Формальдегид 80
Формиатдегидрогеназа 234, 241 '
Формил 371
Формилкинуренин 391
Формилкофермент А 241
N-Формилметионин 369
1-Фосфат кислоты a-D-галактуроновой 193
— — а-D-глюкуроновой 193
6-Фосфат D-глюконовой кислоты 194
Фосфатазы 127, 130, 184, 188, 222, 264, 280,
281, 320 "
Фосфатидазы 264
Фосфатидилглицерин 250, 275
— хлоропластов 250
Фосфатидилмио-инозит 251
Фосфатидилсерины 249
Фосфатидилхолин 130
Фосфатидные кислоты 250, 251
Фосфатиды 249, 250, 256, 264, 390
3'-Фосфоаденозин-5'-фосфосульфат (PAPS)
360
Фосфогексокиназа 120
Фосфо гликолевая кислота (фосфо гл и колат)
145, 281
Фосфоглицераткиназа 208, 280
Фосфоглицератмутаза 208
Фосфоглицериновая кислота 183, 209, 215,
277, 279—283, 285
2-Фосфоглицериновая кислота 144, 208—210
З-Фосфоглицериновая кислота 121, 145, 208,
210, 212
Фосфоглицериновый альдегид 107, 108, 146,
183, 190, 209, 217, 280, 281, 397
З-Фосфоглицериновый альдегид 121, 147,
183, 207, 208, 211
Фосфоглицерокиназа 210
Фосфоглицеромутаза 210
Фосфо глюкомутаза 122, 123, 184, 188, 207,
211
Фосфоглюконовая кислота ПО, 189, 222
6-Фосфоглюконовая кислота ПО, 189, 222
Фосфо диокси ацетон 146, 147, 183, 190, 207,
209, 211, 280, 281
438
Фосфодиэфиры 130
Фосфоенолпировиноградная кислота (фос-
фо енолпируват) 122, 144, 208—210, 212,
216, 264, 265, 279, 282, 283, 286, 291,304
Фосфоенолпируват-карбоксикиназа ( GTP)
286
— (пирофосфат) 286
Фосфоенолпируваткарбоксилаза 240, 282,
286
Фосфокетопентозоэпимераза 280
Фосфолипиды 243, 249—251, 264, 265, 275
Фосфолипопротеиды 264
5-Фосфомевалоновая кислота 322
Фосфомоноэфиры 130
Фосфопантетеин 78, 260
Фосфопентозы 189, 190
Фосфопиридоксалевые формы аминотранс-
фераз 124
Фосфопиридоксаль 123, 124, 272, 397
Фосфопиридоксамин 124
Фосфопиридоксаминовые формы амино-
трансфераз 124
Фосфопировиноградная кислота (фосфо-
пируват) 120
Фосфопируват-гидратаза 144, 208—211
Фосфопротеины 51
5-Фосфорибозил-1-пирофосфат 371, 372
Фосфорибомутаза 189
Фосфорибулокиназа 280
Фосфорилазы 125, 126, 183, 188, 207, 211
Фосфорилирование аденозинтрифосфата
221
— L-арабинозы 184
— D-галактозы 184
— гексоз 221
— кислоты карбаминовой 383
— — пировиноградной 120
— — шикимовой 303
— сахаров 183, 184
Фосфорилированная кетопентоза 190
Фосфорилированные нуклеозиды 185
— сахара 283, 289
Фосфорилхолин 266
Фосфорная кислота 54, 56, 57, 59, 99, 129,
172, 185, 188, 207, 208, 220, 249, 251,264,
266, 374, 383, 398, 399
Фосфорнокислые производные нуклеотидов
58
— эфиры глюкозы 158-
— — седогептулозы 164
— — фруктозы 158
Фосфорнокислый аммоний 357
— кальций 49
— эфир витамина Bj 74, 398
-------В6 76, 398
— — 5-дезо кси кето пентозы 190
— — ксилулозы 159
— — рибофлавина 75
— — рибулозы 159
Фосфор-ные эфиры гексоз 207
— — глюкозы 148
— — пентоз 189, 190, 222
— — сахаров 58, 120, 130, 183, 184
— — фруктозы 148
Фосфорный эфир рибулозы 189
Фо сфоро пластическое расщепление пиро-
виноградной кислоты 354
Фосфоролиз 125—127
— РНК 373
— сахарозы 126, 127
Фосфорорганические соединения 121
Фосфотрансферазы 120, 122, 124, 144, 207,
209, 264
Фосфофруктокиназа 184, 188, 207, 211, 212
З-Фосфошикимовая кислота 303, 304
Фотодыхание 145, 281, 282
Фотолиз 275, 278—280
Фотосинтез 5, 8, 9, 13, 17, 57, 73, 81, 105,
107, 113, 114, 117, 145, 146, 159, 186—189,
192, 197, 235, 236, 243, 251, 255, 268,
269, 272, 275—283, 285, 287, 288, 323, 337,
353—356, 358, 379
Фотосинтезирующие азотфиксаторы 354
— микроорганизмы 8, 117, 245, 271, 272,
282, 283, 353
Фотосинтетическая ассимиляция углекис-
лого газа 279—281, 285, 287
— пиридиннуклеотид-редуктаза 275
— фиксация углекислого газа 282, 286
Фотосинтетические пигменты 272, 275, 276,
279
Фотосистема I 276—278
— II 276—278
Фотофосфорилирование (фотосинтетиче-
ское фосфорилирование) 278—280
Фотохимические реакции 275, 276
— — окислительно-восстановительные 275
Фруктоза 58, 92, 120, 125 — 127, 132, 133,
148, 152—155, 158, 162, 164—166, 169,
170, 174, 175, 183, 185—188, 191, 195, 207,
222, 231, 259, 265, 279
D-Фруктоза 154, 155, 162, 231
D(—)-Фруктоза 154
a-D-Фруктоза 155
р-Фруктоза 169
p-D-Фруктоза 155
Фруктозиды 175
Фруктозодифосфат 183, 190, 207, 259, 280
Фруктозо-1,6-дифосфат 121, 158, 183, 184,
188, 265, 281
Фру ктозо дифосфатазы 275
Фруктозо-6-фосфат 121, 158, 184—191, 265,
281
Фруктопираноза 156
p-D-Фруктопираноза 156
Фруктофураноза 156, 174, 175
D-Фруктофураноза 162
р-Фруктофураноза 166, 169
p-D-Фруктофураноза 156
р-Фруктофуранозидаза 94, 132, 133
Фруктофуранозо-1,6-дифосфат 147, 158, 207,
211
Фруктофуранозо-6-фосфат 148, 158, 207, 211
D-Фруктуроновая кислота 194
Фториды 119
Фукоза 160, 178
L-Фукоза 160
Фукоксантин 255, 272, 276
Фумараза 144
Фумарат-гидратаза 144, 213, 215, 229
Фумаровая кислота (фумарат) 144, 146, 214,
220, 227—230, 234, 235, 239, 265, 279,
359, 380, 382, 383, 397, 398
Функции фенольных соединений 306—308
439
Функциональная биохимия 6, 9
Функциональные группы ферментов 96, 104
Фуран 156
Фураноза 56, 163
а-Фураноза 157, 159
р-Фураноза 157
Фуранокумарин 295
6-Фурфуриламинопурин 334
Фурфурол 24, 179
Хаульмугровая кислота 245, 261
Халконы 299, 305, 306
Хемиосмотическая теория Митчелла 221
Хемосинтез 8, 117, 197, 283—285
Хемосинтезирующие микроорганизмы 197,
283—285, 358
Химозин 139
Химотрипсин 36, 96, 125, 127, 139, 140
Химотрипсиноген 140
Хинин 326
Хинная кислота 223, 234, 290—292, 294,
306
Хиноидная форма хинона 118
Хинолин 324—326
Хинолиновая кислота 392
Хинолиновые алкалоиды 324, 326
Хиноноподобные соединения 107
Хиноны 99, 109, 111—113, 118, 217, 306,
307, 330, 377
Хитин 58, 162, 192, 194
Хлорамфеникол 344
2-Хлор-4,6-бисэтиламино-5-триазин 339
Хлориды антоцианов 298
п-Хлормеркурибензоат 126
Хлорогеновая кислота 294, 306, 330, 331,
348, 377
Хлоромицетин 344, 345
Хлоропласты 9, 52, 105, 246, 247, 272—274,
278, 279, 281, 323, 371
Хлорофилл 16, 17, 73, 129, 243, 252, 255,
268—270, 272, 273, 275, 276, 278, 283, 358
— л 252, 269, 270, 272, 275—277
- Ь 252, 269, 270, 272, 275—277
— с 271
- Р7О0 276
Хлорофиллаза 129, 270
Хлорофиллы 243, 251, 252, 271, 272
— н 277
Хлороформ 243
Хлортетрациклин 344
Хмелевые кислоты 11
Холестерин 321
Холестерол 321
Холин 124, 249, 266, 389, 390
Холинфосфоглицериды 249
Хоризмовая кислота 304
Хроматографический анализ 17, 33, 49, 50,
251—253
Хроматофоры 272, 278
Хромопласты 273
Хромопротеиды 52
Цеаксантин 251, 252, 254, 272
Цеатин 335
Целлобиоза 101, 132, 136, 150, 166, 168,
170, 176, 177
Целло декстрины 192
Целлюлаза 136, 178
Целлюлоза 168, 176—178, 302
Церебрин 251
Цериловый спирт 248
Церотиновая кислота 248
Цетиловый спирт 248
Цианидин 297, 298, 306
Цианин 298
Цианокобаламин 81, 82
Цикл Кальвина 280, 281, 283
— Кребса (цикл трикарбоновых кислот)
214—222, 226—228, 230, 239—241, 263,
287, 392, 396
Циклизация аминокислот 361
— глюкозы 289
— лизина 327
Циклические альдозы 155
— кетозы 155
— кетоны 313
— кислоты жирные 245
— — органические 228
— — терпеновые 315
— моносахариды 154, 155
— многоатомные спирты 289
— пептиды (циклопептиды) 36, 343, 399
— сесквитерпены 315
— соединения 223, 289, 313
— терпены 312
— углеводороды 312
Циклический аденозинмонофосфат (цикли-
ческий АМР) 57, 58
Циклическое фотофосфорилирование 278, 280
Циклоартенол 321
Циклопентанопергидрофенантрен 255, 256
Цикориновая кислота 294
Цинга 68, 82, 83
Цинк 100, 138, 145
Циннамилхинная кислота 306
Цнс-аконитовая кислота 144, 213, 214, 216,
227, 228, 398
Цас-каучу к 324
Цас-оксикоричные кислоты 294, 295
Цистатионин 29
L-Цистатионин 29
Цистеин 28, 32, 35, 36, 103, 115, 124, 141,
278, 360, 368, 375, 399
L-Цистеин 28
Цис-терпеноиды 323, 324
Цистин 26, 28, 33, 40, 357
Цис-транс-изомер и я оксикоричных кислот
293, 294
Цис-феруловая кислота 294
Цитидиловая кислота 57, 58, 372
Цитидин 57
Цитидиндифосфат (CDP) 58, 122, 373
Цитидиндифосфатхолин 266
Цитидинмонофосфат (СМР) 58, 266
Цитидин-5'-монофосфат 58
Цитидинтрифосфат (СТР) 58, 122, 265, 266,
366, 367
Цитозин 55, 57, 60, 61, 63, 363, 373
Цитокинины 334, 335
Цитохимия 9
Цитохром а 114, 115, 117, 217
— а3 114, 116, 117, 217
— ар 117, 217
— b 114, 115, 117, 217
440
Цитох ром b3 114
— Ь6 114» 275, 277, 278
— Ь7 114
— с 114—116, 217
— а 114, 117, 217
— d 115
— е 117
— f 114, 275, 277, 278
Цитохромная система 100, 109, 111, 114,
117, 215, 217, 218, 307
Цитохромоксидаза 105, 114, 116, 117, 218,
270
Цитохромпероксидаза 118
Цитохромы 36, 114—117,272, 275, 278, 279,
307 /
0-Цитраурин 254
Цитраль 313
а-Цитраль 313
Р-Цитраль 313
Цитрат (изоцитрат)—гидро-лиаза 144, 145
Цитрат-синтаза 213, 214, 216
Цитрин 81
Цитроксантин 254
Цитронеллол 312, 313 '
Цитруллин 31, 355, 382, 383
L-Цитруллин 30
а-Чаконин 310
р-Чаконин 310
у-Чаконин 310
Четвертичная структура белков 42, 43
— — гемоглобина 42
— — ферментов 42
Число омыления 246
Шикиматный путь биосинтеза фенольных
соединений 303—305
Шикимовая кислота 291, 292, 294, 303, 305
Щавелевая кислот^оксалат) 201, 226, 228,
233—235, 238, 24(>, 241, 378
Щавелевокислые растения 235
— соли 240
Щавелевокислый кальций 226
Щавелевоуксусная кислота (оксало ацетат)
123, 145, 149, 212—214, 216, 218, 226,
229, 230, 234, 235, 239—241, 263-265,
282, 283, 286, 287, 392, 397, 398
Щелочной гидролиз белков 35
Щелочные аминокислоты 51
— б-елки 51
— фосфатазы 130
Эволюционная биохимия 6, 406, 407
Эволюция цитохромов с 406
Эдестин 44, 45, 51, 381
Экдизоны 257
Экдистерон 257
Экзо гйюкан аза 136
Экзэргонические реакции 91, 121
Экспериментальная биохимия 6, 8, 11
Экстензии 178
Экстрагирование белков 47, 48
Эллаговая кислота 301
Эллаговые дубильные вещества 300, 301
Электрофорез белков 49, 50
Элонгация при биосинтезе белка 369—371
Эмульгирующие вещества 182
Эмульсин 101, 102, 169, 309
Эндо глюканаза 136
Эндэргонические реакции 92
Энзим Q 186
Энергия активации молекул 91, 92
Энокапрол 248
Энтерокиназа 140
(—)-Эпигаллокатехин 296
(—)-Эпикатехин 296, 302
Эпи сомы 64
Эпоксиды 255
Эргобазин 327
Эргобазинин 327
Эргозин 327
Эргозинин 327
Эргокорнин 327
Эргокорнинин 327
Эргокриптин 327
Эргокриптинин 327
Эргокристин 327
Эргокристинин 327
Эргостерол 71, 256, 257
Эрготамин 327
Эрготаминин 327
Эридиктиол 297
Эритродекстрины 174
D-Эритроза 159
Эритрозо-4-фосфат 190, 191, 280, 281, 291
Эритромицин 344, 345
Эруковая кислота 245, 406
Эскулетин 295
Эстеразы 127—129, 137, 300
Этанол амин 124, 249
Этаноламинфосфоглицериды 249
Этилглюкозиды 96
Этилен 206, 336, 354
Этиловый спирт 140, 198—200, 205, 206,
209, 210, 229, 230, 233, 259, 270, 302, 317,
397
— эфир бензоил-Ь-аргинина 140
— — масляной кислоты 225
Этилхлорофиллид 129, 270
Этиолированные растения 29, 359, 379
Эфир кислоты ванилиновой 293
— — сиреневой 293
Эфирное масло апельсиновое 313, 315
— — гваюловое 319
— — гераниевое 313
— — горчичное 309
— — камфарное 315
— — кипарисовое 315
— — кориандровое 312
— — лавандовое 315
— — мятное 313
— — пихтовое 315
---померанцевое 313
— — розмариновое 315
— — розовое 312, 313
— — сумаховое 312
— — тминное 313
— — укропное 313
— — хмелевое 312
— — эвкалиптовое 313
Эфирные масла 288, 289, 311—315, 319, 333
Эфиры аминокислот 24, 28
— гидроароматических соединений 288
441
Эфиры глицерина 128, 129, 244, 249
— кислот гидроароматических 294
— — жирных 128, 129, 249
— — — высокомолекулярных 244, 248
— — оксикоричных 294
— — органических 225
— кислоты масляной 225
— — уксусной 225
— — фосфорной 130
— — хинной 294
— — шикимовой 294
— коэнзима А 286
— моносахаридов 158
Эффект Пастёра 199, 205
— Эмерсона 276
Эффекторы ферментов 105
Ювенильный гормон 257
Юглон 300
Яблочная кислота (малат) 144, 213, 214,
216—218, 220, 223, 226—230, 234—240,
242, 264, 265, 279, 286, 287, 305, 378, 398
L-Яблочная кислота (L-малат) 226, 227,
286
Яблочнокислые растения 235
Янтарный диальдегид 387, 388
Янтарная кислота (сукцинат) 147, 148, 198,
213, 214, 216, 217, 220, 226, 228—230,
234, 235, 239, 240, 265, 272, 279, 377, 392,
398
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие..................................................... 3
Введение ......................................................... 4
Литература ....................................................20
Глава I. Белковые вещества........................................21
Общие свойства белков.........................................21
Химическое строение белков.....................................22
Общие свойства аминокислот................................... 23
Отдельные аминокислоты ....................................... 26
Аминокислотный состав белков и строение белковой молекулы . . 32
Физико-химические свойства белков..............................44
Выделение белков и установление их однородности ...............47
Классификация белков ..........................................50
Протеины..................................................... 50
Протеиды ......................................................52
Литература ....................................................52
Глава II. Нуклеиновые кислоты......................................54
Литература ....................................................67
Глава III. Витамины ...............................................68
Витамины, растворимые в жирах ...................................69
Водорастворимые витамины ......................................73
Антивитамины ..................................................84
Потребность в витаминах у растений и микроорганизмов...........86
Литература ....................................................89
Глава IV. Ферменты ................................................90
Общие свойства ферментов.......................................90
Классификация и свойства отдельных ферментов..................105
Оксидоредуктазы (1)...........................................106
Трансферазы(2)............................................... ^0
443
Гидролазы(З)...................................................127
Лиазы(4).......................................................144
Изомеразы(5) ..................................................147
Ли газы (синтетазы) (6)........................................148
Литература.....................................................149
Глава V. Углеводы и их взаимопревращения...........................150
Строение и свойства углеводов ................................ 150
Моносахариды ..................................................151
Полисахариды ..................................................155
Взаимопревращения углеводов в растительных организмах .... 183
Литература....................................................» 195
Глава VI. Брожение и дыхание......................................• 197
Брожение.......................................................198
Дыхание растительных организмов................................201
Анаэробное (интрамолекулярное) дыхание растенией (брожение). . 204
Химизм и взаимосвязь процессов брожения и дыхания......206
Литература...................а • . . , ,......................224
Глава VII. Органические кислоты и их обмен.........................225
Органические кислоты алифатического ряда.......................225
Обмен органических кислот у низших растений....................228
Обмен органических кислот у высших растений....................235
Литература.....................................................242
Глава VIII. Липиды и их обмен • . • . *............................243
Строение и свойства липидов и растворимых в жирах пигментов . . . 243
Жиры......................................................... 243
Воска..........................................................248
Фосфолипиды................................................... 249
Пигменты, растворимые в жирах (хлорофиллы и каратиноиды) . . .251
Стероиды.......................................................256
Обмен липидов..................................................257
Литература.....................................................267
Глава IX. Фотосинтез и хемосинтез . . . ...........................268
Литература.....................................................287
Глава X. Растительные вещества вторичного происхождения и их обмен . . 288
Гидроароматические соединения..................................289
Фенольные соединения...........................................292
Гликозиды .....................................................308
Эфирные масла и смолы..........................................311
Каучук и гутта...................................._............316
Биосинтез терпеноидов в растениях 319
Алкалоиды .....................................................324
Регуляторы роста растений и микроорганизмов. Гербициды.
Антибиотики.................................................. 330
Литература ....................................................349
444
Глава XI. Аминокислотный и белковый обмен растительных организмов 351
Усвоение азотистых соединений растительными организмами.......351
Синтез аминокислот белков...................................358
Биохимия диссимиляции белков и аминокислот.................374
Литература ...................................................394
Глава XII. Взаимосвязь процессов обмена веществ в организме. Регуля-
ция обмена веществ. Эволюционная биохимия . . -................396
Литература .............................................. 409
Предметный указатель..............................................410
ВАЦЛАВ ЛЕОНОВИЧ КРЕТОВИЧ
БИОХИМИЯ РАСТЕНИЙ
Редактор Ю. А. Елков. Мл. редакторы Л. К. Архипова, Л. Е. Кононова.
Художник М. Л. Блях. Художественный редактор Т. А. Коленкова.
Технический редактор Н. В. Яшукова. Корректор С. К. Завьялова.
ИБ № 2317
Изд. № "Ё-350. Сдано в набор 09.08.79. Подп. в печать 14.03.80. Т-06059.
Формат 70X100/16. Бум. тип. № 1. Гарнитура литературная. Печать
высокая. Объем 36,4 усл. п л.+0,325 усл. п. л. цв. вкл. 38,82 уч. изд.
л.+0,22 уч.-изд. л. цв. вкл. Тираж 25 000 экз. Зак. №596. Цена I р. 80 к.
Издательство «Высшая школа>,
Москва, К-51, Неглинная ул., д. 29/14 „
Ярославский полиграфкомбинат Союзполиграфпрома при Государственном
комитете СССР по делам издательств, полиграфии и книжной торговли.
150014. Ярославль, ул. Свободы, 97
Издательство «ВЫСШАЯ ШКОЛА»
выпустит в свет в 1980 году
для студентов вузов
следующие учебные пособия:
Кочетов Г. А. Практическое руководство по энзимологии: Учеб,
пособие. — 2-е изд., перераб. и доп. — 15 л. — 80 к.
Пособие включает разделы: общие принципы препаративного полу-
чения ферментов и методы работы с ними, исследование активности фер-
ментов и способы ее выражения, выделение и очистка ферментов различных
классов, ферменты как аналитические реагенты и др. В новом издании (пер-
вое вышло в 1971 г.) изложены более современные методы исследования
энзимов (определение молекулярной массы белков путем гельфильтрации,
электрофореза и др.), изменен порядок изложения материала.
Предназначается для студентов биологических специальностей вузов.
Может быть использовано в экспериментальной работе студентами, аспи-
рантами и специалистами.
Нормальная физиология: Учебник /Коробков А. В., Башкиров А. А.,
Ветчинкина К. Т. и др.; Под ред. А. В. Коробкова. —50 л., ил. —
В пер.: 2 р. 30 к.
В учебнике изложена физиология клеток, органов, функциональ-
ных систем и целого организма. Рассматриваются: влияние на организм
факторов среды; вопросы управления функциями физиологических систем
и деятельностью организма в целом; вопросы активности организма (ра-
бота, тренировка, напряжение, восстановление и др.); возрастные изме.
нения; адаптация организма; физиология мотиваций и эмоций. Содержа-
ние учебника связано с вопросами клиники и борьбы за сохранение здо-
ровья и активности человека.
Предназначается для студентов медицинских факультетов универси-
тетов и медико-биологических факультетов медицинских институтов.
Будет интересен врачам, биологам, физиологам.
Практикум по биохимии сельскохозяйственных животных. Учеб,
пособие /Чечеткин А. В., Воронянский В. И., Покусай Г. Г. и др. —
15 л., ил. — 80 к.
В разделах практикума, посвященных углеводам, липидам, витами-
нам, биохимии тканей, биологическим жидкостям и др., предусмотрена
определенная детализация проведения опытов, что облегчает самостоя-
тельную работу студентов.
Пособие содержит элементы теории и методов практической работы
по физической и коллоидной химии. Многие методы имеют прямое отно-
шение к работе промышленных комплексов животноводства и птицевод-
ства, химических отделов ветеринарных бактериологических лаборато-
рий и санитаркой службы.
447
Предназначается для студентов зоо инженерных и ветеринарных вд-
вое и факультетов* Может быть полезно специалистам и практикам
сельского хозяйства*
Розен В. Б. Основы эндокринологии: Учеб, пособие. — 25 л.,
ил. — В пер.: 1 р. 10 к.
В пособии рассмотрены основные закономерности физиологической
организации эндокринных функций, биохимии гормонов и эндокринной
регуляции важнейших процессов жизнедеятельности организма чело-
века и животных: проанализированы и обобщены данные об эндокрин-
ных железах, химической структуре гормонов, их биосинтезе и секреции,
регуляции этих процессов, транспорте и метаболизме гормонов, меха-
низмах гормонального контроля обменных процессов на клеточном и мо-
лекулярном уровнях, указано практическое значение эндокринологии
для медицины и сельского хозяйства.
Предназначается для студентов университетов. Может быть ис-
пользовано научными работниками, интересующимися различными во-
просами эндокринологии.
Уважаемые читатели!
Издательство «Высшая школа» выпускает учебники, учебные и мето-
дические пособия, плакаты. Подробнее познакомиться с учебной лите-
ратурой вам поможет аннотированный план выпуска литературы на
1980 год (вузы и техникумы), который имеется в книжных магазинах.
Предварительные заявки на книги вы можете сделать в магазинах
Книготорга или потребительской кооперации.