Синтез и превращения углеводов. Синтез сахарозы и лактозы.

Углеводы в тканях являются подвижными соединениями. Наличие многочисленных ферментных систем позволяет непрерывно происходить в тканях процессам синтеза, распада и взаимопревращений углеводов.

1. Синтез сахарозы. Основным продуктом ассимиляции углекислоты в фотосинтетическом цикле является фруктозо-6-фосфат. Фруктозо-6-фосфат превращается в сахарозу через ряд реакций. В первой реакции фруктозо-6-фосфат под действием глюкофосфатизомеразы превращается в глюкозо-6-фосфат:

 

 

фруктозо-6-фосфат

глюкозо-6-фосфат

Затем происходит изомеризация глюкозо-6-фосфата и образование глюкозо-1-фосфата под действием фермента фосфоглюкомутазы:

 

глюкозо-6-фосфат

глюкозо-1-фосфат

На следующем этапе глюкозо–1–фосфат соединяется с уридинтрифосфатом (УТФ), этот процесс катализируется ферментом глюкозо-1-фосфатуридилтрансферазой. При этом отщепляется пирофосфорная кислота, и образуется соединение глюкозы с УДФ – уридиндифосфатглюкоза.

Затем из второй молекулы фруктозо-6-фосфата образуется свободная фруктоза. Эта реакция происходит с участием воды под действием фермента фосфатазы:

 

фруктозо-6-фосфат

фруктоза

На последнем этапе при взаимодействии уридиндифосфатглюкозы со свободной фруктозой образуется сахароза и уридиндифосфорная кислота, катализатором реакции является фермент сахарозо-УДФ-глюкозилтрансфераза.

В растительных клетках непрерывно идет процесс регенерации УТФ, необходимой для синтеза сахарозы.

УТФ образуется из УДФ под действием фермента нуклеозиддифосфаткиназы:

УДФ + АТФ УТФ + АДФ

Синтез сахарозы сопровождается также реакцией расщепления неорганического пирофосфата с образованием ортофосфата. Эта реакция катализируется пирофосфатазой:

Н₄Р₂О₇ + Н₂О 2 Н₃РО₄.

Суммарное уравнение реакции синтеза сахарозы:

2 фруктозо-6-фосфат + АТФ + 2 Н₂О сахароза + АДФ + 3 Н₃РО₄

Синтез лактозы регулируется особым образом Почти все ткани позвоночных содержат галактозилтрансферазу - фермент, катализирующий перенос D-галактозильных групп на N-ацетилглюкозамин

3.Синтез и распад крахмала.Крахмал состоит из амилозы и амилопектина. В строении этих двух составных частей крахмала имеются существенные различия, поэтому механизмы их биосинтеза различаются.

Исходным продуктом для синтеза амилозы является глюкозо-1-фосфат. Соединение отдельных молекул глюкозо-1-фосфата между собой катализируется ферментом a-глюканфосфорилазой. Н₃РО₄ при этом отщепляется, и образуются связи между первым и четвертым атомами углерода остатков глюкозы.

Для действия фосфорилазы и синтеза амилозы необходимо наличие в реакционной среде небольшого количества «затравки» – полисахаридов, построенных из 3–4 остатков глюкозы, соединенных 1,4-связями. В синтезе амилозы молекула глюкозо-1-фосфата является донором, а «затравка» – акцептором остатков глюкозы. В качестве донора глюкозных остатков могут также служить уридиндифосфатглюкоза (УДФГ) и аденозиндифосфатглюкоза (АДФГ). АДФГ в качестве донора глюкозных остатков примерно в 10 раз более эффективна, чем УДФГ.

Синтез разветвленной молекулы амилопектина, имеющего 1,6-связи, происходит при помощи Q-фермента. Этот фермент в свободном виде выделен из картофеля. Он катализирует превращение амилозы в амилопектин. Если в реакционной среде имеется смесь фосфорилазы, Q-фермента, глюкозо-1-фосфата и затравки, то сразу происходит синтез амилопектина, минуя стадию синтеза амилозы.

Распад крахмала. Этот процесс может протекать в результате реакций двух типов: гидролиза и фосфоролиза.

Гидролитический распад крахмала осуществляется под действием четырех ферментов класса гидролаз:

1) a-амилаза расщепляет 1,4-связи. Разрыв связей происходит без определенного порядка. Под действием a-амилазы образуются мальтоза, декстрины, глюкоза;

2) b-амилаза вызывает гидролитическое расщепление 1,4-связей, но она последовательно отщепляет от молекулы крахмала остатки мальтозы;

3) глюкоамилаза последовательно отщепляет остатки глюкозы от молекулы крахмала, расщепляя 1,4-связи;

4) амилопектин-1,6-глюкозидаза (R-фермент) катализирует расщепление 1,6-связей, действуя на точки ветвления молекулы.

Образующаяся в результате распада крахмала мальтоза под действием a-глюкозидазы с участием воды дает 2 молекулы глюкозы.

Второй тип распада крахмала – фосфоролиз – сводится к присоединению Н₃РО₄ по месту разрыва глюкозидных связей между остатками моносахарида. При этом образуется глюкозо-1-фосфат. Эта реакция катализируется ферментом a-глюкофосфорилазой из класса трансфераз.

4.Синтез и распад гликогена. Этот процесс берет начало от реакции синтеза глюкозо-6-фосфата:

 

гексокиназа

1) глюкоза + АТФ глюкозо-6-фосфат + АДФ

 

Следующий этап – превращение глюкозо-6-фосфата в глюкозо-1-фосфат под действием фермента фосфоглюкомутазы:

 

фосфоглюкомутаза

2) глюкозо-6-фосфат глюкозо-1-фосфат

 

Далее глюкозо-1-фосфат вступает в реакцию с уридинтрифосфатом (УТФ):

 

О О О

3) Глюкозо-1-фосфат + НО–Р–О–Р–О–Р–О–СН₂

ОН ОН ОН

 

В результате реакции образуется активный нуклеотид УДФГ. Далее при участии разветвляющего фермента активированные молекулы глюкозы в УДФГ соединяются гликозидными связями, образуя гликоген.

Распад гликогена (гликогенолиз). Для образования энергии, расходуемой организмом, происходит освобождение глюкозы. Этот процесс идет под влиянием фермента фосфорилазы, расщепляющего 1,4 a-гликозидные связи гликогена. Другие ферменты способствуют расщеплению глюкозо-1-фосфата, который подвергается действию фермента фосфоглюкомутазы с образованием глюкозо-6-фосфата. Далее глюкозо-6-фосфат распадается до глюкозы.

Сравнение процессов синтеза и распада гликогена позволяет сделать следующие выводы:

• синтез и распад гликогена протекают по разным метаболическими путям;
• печень запасает глюкозу в виде гликогена не столько для собственных нужд, сколько для поддержания постоянной концентрации глюкозы в крови, и, следовательно, обеспечивает поступление глюкозы в другие ткани. Присутствие в печени глюкозо-6-фосфатазы обусловливает эту главную функцию печени в обмене гликогена;
• функция мышечного гликогена заключается в освобождении глюкозо-6-фосфата, потребляемого в самой мышце для окисления и использования энергии;
• синтез гликогена - процесс эндергонический. Так на включение одного остатка глюкозы в полисахаридную цепь используется 1 моль АТФ и 1 моль УТФ;
• распад гликогена до глюкозо-6-фосфата не требует энергии;
• необратимость процессов синтеза и распада гликогена обеспечивается их регуляцией.

Лекция 11.

Биохимия фотосинтеза

1.Природа фотохимических реакций. Первичные фотохимические процессы.

2.Фотохимическое фосфорилирование (циклическое и нециклическое).

3. Путь углерода в фотосинтезе (цикл Кальвина).

 

1. Природа фотохимических реакций. Первичные фотохимические процессы. Фотосинтез является основным процессом, приводящим к образованию органических соединений. В процессе фотосинтеза световая энергия превращается в химическую, которая, в конечном счете, используется для синтеза органических соединений, благодаря чему возможна жизнь всех растений, животных и человека на земле. Фотосинтез – источник свободного кислорода. Способностью к фотосинтезу обладают как эукариоты (выс­шие зеленые растения, зеленые, бурые и красные водоросли, некоторые одно­клеточные организмы), так и прокариоты (синезеленые водоросли, зеленые и пурпурные бактерии).

История изучения фотосинтеза начинается с 1881 г., когда Ю.Л. Мейер доказал, что фотосинтез протекает в структурах листьев растений - хлоро- пластах. В 20-х годах XX в. К.А. Тимирязев исследовал роль специальных структур - пигментов, называемых хлорофиллами, в поглощении солнеч­ного света (особенно красного и синего) и использовании световой энергии в фотосинтезе. В 1937 г. Р. Хилл открыл фотолиз воды, или фотохимиче­ское окисление воды и образование кислорода, а в 50-х годах М. Кальвин с сотрудниками изучили так называемую темновую стадию, во время кото­рой образуются органические вещества. Фотосинтез протекает в хлоропластах, которые содержат все необходимое для синтеза органических соеди­нений: фоточувствительные пигменты, переносчики электронов, фермен­ты, коферменты, различные органические соединения, используемые в хо­де биосинтеза на темновой стадии.

Схематически фотосинтез можно представить как окислительно-восстановительный процесс взаимодействия углекислого газа и воды, который идет при участии хлорофилла, поглощающего энергию солнечных лучей. Эта энергия используется для фотохимической реакции, при которой восстанавливается углекислый газ:

СО₂ + Н₂О + nhn [СН₂О] + О₂ ,

 

где [СН₂О] – какое – то органическое соединение, по степени восстановления равное углеводам.

Энергия, необходимая для восстановления СО₂, доставляется в виде световой энергии, поглощаемой хлорофиллом, который играет роль фотосенсибилизатора. Поглощая световую энергию, он претерпевает изменения, а затем отдает эту энергию другим веществам и возвращается в исходное состояние.

Весь хлорофилл в фотосинтезирующих клетках локализован в хлоропластах, которые кроме хлорофилла содержат и другие пигменты. Пластинки хлоропластов имеют форму дисков, соединенных краями. Пластинка состоит из 2 структурно – асимметричных элементарных мембран, каждая из которых включает 5 слоев: слой белка; слой структурно упорядоченных молекул хлорофилла, связанных с белком; слой каротиноидов, связанных с хлорофиллом; слой фосфолипидов; белковый слой.

Различают два хлорофилла:

· хлорофилл «а» С₅₅ Н₇₂ О₅ N₄ Mg,

· хлорофилл «в» С₅₅ Н₇₀ О₆ N₄ Mg

Хлорофилл содержит 4 соединенных между собой остатка пиррола, которые образуют порфириновое ядро, оно связано двумя основными и двумя дополнительными валентностями с атомом Мg.

Наличие остатка фитола, высокомолекулярного непредельного спирта, в хлорофилле придает ему липоидные свойства. По своему строению хлорофилл близок к некоторым дыхательным ферментам (пироксидазе, каталазе и цитохромоксидазе) и к красящему веществу крови – гему (Fе у гема, цитохромов и ферментов).

Содержание хлорофилла в растениях составляет в среднем около 1% от сухого вещества

Первая фаза фотосинтеза – поглощение хлорофиллом световой энергии. Первичным фотохимическим процессом может быть диссоциация поглотившей молекулы на атомы или свободные радикалы, или превращение ее в неустойчивую флюоресцирующую форму, которая существует 10^-7сек.

Возбужденные кванты сначала адсорбируются молекулами хлорофилла «а» и мигрируют до тех пор, пока не встретят специальную форму хлорофилла «а», способную превращать световую энергию в химическую. Эта форма хлорофилла «а» называется Р₇₀₀ (она поглощает свет с l=700 ммк). На каждые 300–400 молекул хлорофилла «а» приходится 1 молекула Р₇₀₀. Из этой молекулы при поглощении ею света выталкивается электрон, и она получает заряд Р⁺₇₀₀. Окисленная молекула пигмента благодаря источнику электронов снова восстанавливается. Выбранные электроны обладают высокой кинетической энергией, которая используется для восстановления никотинамидадениндинуклеотидфосфата НАДФ или через близлежащий электронный донор присоединяется к Р⁺₇₀₀. В 1-м случае возникает потенциал восстановления, и выделенные из Р₇₀₀ электроны не возвращаются. Во 2-м случае возникает замкнутый электронный транспорт, сопровождающийся поглощением света и образованием реакционноспособного Р₇₀₀. При этом образуется АТФ, т.е. световая энергия переходит в химическую. Оба процесса одновременно протекают в хлоропластах высших растений и называются фотосинтетическим фосфорилированием.

2.Фотохимическое фосфорилирование (циклическое и нециклическое) Фотосинтетическое фосфорилирование – это индуцированное светом образование АТФ хлоропластами в соответствии с уравнением:

АДФ + Н₃РО₄ АТФ.

 

Реакция, в которой единственным продуктом является АТФ, названа циклическим фосфорилированием.

Схема анаэробного циклического фосфорилирования:

 

 

 

Фотосинтетическая электронно-транспортная цепь состоит из цитохромов, кофакторов (ФМН, витамин К). Под влиянием энергии света электрон из хлорофилла «а» в возбужденном состоянии передается ферредоксину (С₀А), который восстанавливается. Затем восстановленный С₀А переносит свой электрон к цитохрому, а от него по электронно-транспортной цепи обратно к хлорофиллу «а». Таким образом, электрон включается в цикл, единственным продуктом которого является АТФ.

Вторая реакция фотофосфорилирования названа нециклическим фосфорилированием:

2НАДФ + 2 Н₂О + 2 АДФ + 2 Н₃РО₄ 2 НАДФ*Н₂ + О₂ + 2 АТФ

 

Схема нециклического фосфорилирования:

 

 

 

При нециклическом фосфорилировании электроны, выделенные хлорофиллом, поглощаются НАДФ, который получает ионы водорода из воды и переходит в восстановленную форму. При этом выделяется кислород как побочный продукт использования воды в качестве донора электрона. Нециклическое фосфорилирование в хлоропластах можно разделить на две отдельные фотохимические реакции: фотоокисление воды (ОН^–) с выделением кислорода и фотофосфорилирование, в котором фотовосстановление НАДФ связано с образованием аденозинтрифосфата:

	свет

1) Н₂О + 2 А 1\2 О₂ + 2 А^– + 2 Н⁺ ;

	свет

2) 2 А^– + НАДФ + 2 Н⁺ + АДФ + Н₃РО₄ НАДФ*Н₂ + АТФ + 2 А

 

А – промежуточный продукт – является акцептором электронов для одной и донором электронов для другой световой реакции.

Пигмент, участвующий в фотоокислении воды, еще не идентифицирован. Скорее всего это хлорофилл «в».

Представления о фотосинтезе, связанные с фотосинтетическим фосфорилированием, отличаются от прежних понятий тем, что фотосинтез – это процесс главным образом ассимиляции углекислого газа.

Фотосинтез– это прежде всего процесс превращения световой энергии в химическую, и данное превращение больше связано с фосфатами (т.к. ведет к образованию АТФ и восстановлению НАДФ в результате фосфорилирования).

Внутри хлоропластов протекают мно­гие ферментативные реакции, использующие энергию АТФ и НАДФН, в результате которых синтезируются углеводы, аминокислоты, белки, жир­ные кислоты, липиды, азотистые основания пуриновых и пиримидиновых нуклеотидов и тетрапиррольная группировка самого хлорофилла. Поглоща­емый на этой стадии С0₂ включается в самые различные реакции организ­ма.

Первая реакция темновой фазы - связывание СО₂ с 1,5-рибулозоди- фосфатом, далее это промежуточное соединение распадается на две моле­кулы 3-фосфоглицериновой кислоты. Затем протекает цикл Кальвина - реакции, сходные с процессами пентозофосфатного цикла, приводящие к образованию гексоз, пентоз и других промежуточных продуктов, из кото­рых синтезируются различные биомолекулы - аминокислоты, нуклеоти­ды, жирные кислоты, витамины.

Таким образом, в ходе темновой стадии фотосинтеза используется энер­гия, запасенная на световой стадии, и образуются различные органические соединения.

 

Схема темновой фазы фотосинтеза

 

Для образования одной молекулы фруктозо-6-фосфата реакции 7 – 11 должны повториться два раза, реакции 5 и 6 – три, 12 – четыре, 4 – пять, 1 и 13 – шесть, и реакции 2 и 3 – двенадцать раз.

Суммарное уравнение фотосинтеза в таком случае имеет вид:

6 СО₂ + 23 Н₂О + 18 АТФ + 12 НАДФ * Н₂

фруктозо-6-фосфат + 18 АДФ + 17 Н₃РО₄ + 12 НАДФ + 6 О₂

В большинстве случаев фиксированная углекислота обнаруживается в виде углеводов (сахарозы, крахмала). Переход углерода в другие формы, в частности в азотистые соединения, зависит от обеспеченности растений азотом.

Лекция 12

Обмен липидов

1. Синтез жиров

2. Распад жиров

3. α и β-окисление жирных кислот

4. Общая схема переваривания жиров

 

Запасные жиры растений представляют собой смесь разнокислотных триацилглинеролов, содержащих в одной молекуле, как правило, остатки разных жирных кислот. На основании того, что почти все жирные кислоты в животных тканях имеют четное число атомов углерода, предполагали, что их синтез и распад происходит путем присоединения или отщепления двухуглеродных фрагментов. Классические опыты Ф. Кноопа в начале XX в. подтвердили эти предположения. Было показано, что жирные кислоты последовательно окисляются по β-углеродному атому, при этом отщепляется двухуглеродный ацетиль­ный фрагмент в виде ацетил-КоА и жирная кислот укорачивается на два атома углеро­да на каждой стадии окисления.

Триацилглицеролы (жиры) — важнейший источник энергии. Сре­ди главных питательных веществ они являются самыми малоокисленными соединениями, поэтому при их окислении в клетке выде­ляется наибольшее количество энергии - 38 кДж/г. Около 95% всей биологически доступной энергии в молекуле триацилглицеролы содержат в себе остатки трех жирных кислот, как правило, с длинной цепью угле­родных атомов, глицерин — остальные 5% энергии.