БОТАНИКА ТОМ 2 - ФИЗИОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ - 2007

6. ФИЗИОЛОГИЯ ОБМЕНА ВЕЩЕСТВ

6.13. Синтез аминокислот

Растения синтезируют все без исключения протеиногенные аминокислоты (см. рис. 1.11) самостоятельно, среди прочих — важные для человека ароматические аминокислоты (фенилаланин, тирозин, триптофан), а также валин, лейцин и изолейцин. Углеродные скелеты поставляются фотосинтезом. Вполне возможно (но еще не доказано!), что все аминокислоты синтезируются в хлоропластах, в дополнение к этому многие, вероятно, возникают и в других компартментах (например, глицин — в пероксисомах, серин — в митохондриях в процессе фотодыхания, см. рис. 6.75).

6.13.1. Семейства аминокислот

Основываясь на происхождении углеродных скелетов, аминокислоты можно поразделить на несколько групп (рис. 6.106): пируватное, 2-оксоглутаратное и оксалоацетатное семейства; 2-фосфогликолатное, шикиматное семейства и отдельно — гистидин, который образуется из рибозо-5- фосфата. Синтез глицина и серина из 2- фосфогликолата в процессе фотодыхания уже обсуждался (см. рис. 6.75), как и образование цистеина из серина (через образование О-ацетилсерина — см. рис. 6.90). Биосинтез гистидина в растениях не до конца изучен, но восходит к рибозо-5- фосфату. Остальные аминокислоты происходят частично либо полностью из 3-фосфоглицерата через образование фосфоенолпирувата. Образование пирувата или оксалоацетата из фосфоенолпирувата и возникновение оксалоацетата из пирувата в митохондриях обсуждалось ранее в связи с другой темой (см. рис. 6.79; 6.92; 6.94). Из оксалоацетата в митохондриях через образование цитрата может синтезироваться 2- оксоглутарат (см. рис. 6.94), но экспортированный в цитоплазму цитрат также может, как уже было сказано, превратиться в 2-оксоглутарат (см. 6.10.3.4).

6.13.2. Ароматические аминокислоты

Благодаря особому значению для метаболизма растений, который заключается не только в удовлетворении потребности в аминокислотах в процессе синтеза белков, три ароматические аминокислоты (триптофан, фенилаланин и тирозин) находятся под пристальным вниманием ученых. Биосинтетический путь, который начинается с фосфоенолпирувата и эритрозо-4- фосфата (см. рис. 6.106), был назван по характерному промежуточному метаболизму шикиматным путем. Шикиматный путь есть у растений, грибов и бактерий (но не у животных), у растений он локализован в пластидах. В шикиматном пути возникают дополнительно промежуточные продукты для биосинтеза большого числа других растительных соединений. Этот метаболический путь представляет собой некую «границу» между первичным и вторичным обменом веществ.

Рис. 6.106. Синтез углеродных скелетов различных семейств аминокислот в процессе ассимиляции CO2

Эритрозо-4-фосфат является промежуточным продуктом цикла Кальвина и окислительного пентозофосфатного цикла, фосфоенолпируват синтезируется в процессе гликолиза и импортируется в хлоропласты Последовательность реакций представлена на рис. 6.107.

Рис. 6.107. Последовательность реакций шикиматного пути биосинтеза ароматических аминокислот фенилаланина, тирозина, триптофана

Фермент 5-енолпирувилшикимат-3-фосфатcинтаза (ЕПШФ-синтаза) является белком-мишенью для самого распространенного в мире гербицида глифосфата (N-фосфонометилглицина, рис 6 108), который представляет собой сильный конкурентный ингибитор, препятствующий присоединению фосфоенолпирувата к каталитическому центру. Тем не менее растения погибают не от недостатка ароматических аминокислот, а от накопления в тканях (особенно в меристемах) токсичной шикимовой кислоты.

На примере шикиматного пути можно очень хорошо показать регуляцию разветвляющихся путей обмена веществ конечными продуктами (рис. 6.108).

Рис. 6.108. Регуляция активности ферментов шикиматного пути с помощью продуктов реакций. Роль шикиматного пути в качестве поставщика предшественников для большого числа других метаболических путей в дополнение к синтезу белков здесь не показана. Глифосат (N-фосфонометилглицин) — гербицид, сильный конкурентный ингибитор фермента З-фосфо-5-енол- пирувилшикимат (ФЕПШ)-синтазы

Триптофан тормозит свой собственный синтез и стимулирует синтез тирозина и фенилаланина. Фенилаланин или тирозин соответственно ингибируют свой собственный синтез. Таким образом удается избежать накопления ненужной аминокислоты, в то время как остальные продолжают синтезироваться.

6.13.3. Непротеиногенные аминокислоты и производные аминокислот

Наряду с 20 протеиногенными аминокислотами в растениях имеется более 400 других, непротеиногенных, аминокислот, которые часто (но не всегда) образуются из протеиногенных (рис. 6.109, А). Сюда также часто (но опять же не всегда) относят синтезирующиеся из аминокислот в результате декарбоксилирования биогенные амины (рис. 6.109, Б). Непротеиногенные аминокислоты могут служить транспортными и запасными метаболитами для восстановленного азота: так, например, упоминавшийся выше цитруллин (см. рис. 6.91) у Веtulасеае и Juglandасеае одновременно является промежуточным продуктом в биосинтезе аргинина. Транспортную и запасающую функции выполняет также канаванин бобовых (см. рис. 6.109, А). Одновременно это вещество, которое составляет порой до 10 % и более веса сухого вещества семени и содержит до 50 % связанного азота, представляет собой защитное вещество, токсичное для растительноядных животных. Токсичное действие канаванина основано на его структурном сходстве с L-аргинином (см. рис. 1.11). В результате в организме растительноядного животного может синтезироваться неправильный белок, так как аминоацил-тРНК-синтетаза животных, в отличие от растительной, не отличает L-аргинин от его аналога. В результате преобразований в организме животного из канаванина возникает к тому же нейротоксическая, непротеиногенная аминокислота каналин. Личинки жука Сагуedes brasiliensis, единственным источником питания которых являются семена бобовых, могут обезвреживать каналин, превращая его посредством восстановительного дезаминирования в гомосерин (см. рис. 6.109, А), естественное промежуточное соединение в биосинтезе треонина.

Рис. 6.109. Примеры растительных непротеиногенных аминокислот и их метаболизма (А); синтез биогенных аминов посредством декарбоксилирования аминокислот (В)

Непротеиногенные аминокислоты лука (Allium сера) и чеснока (Allium sativum) — пропенилаллиин и соответственно аллиин (см. рис. 6.109, А) — являются производными цистеина и предшественниками веществ, защищающих растение от потребления травоядными животными. При повреждении клеток, которые запасают в вакуолях аллиин (чеснок) и пропенилаллиин (лук), эти соединения расщепляются ферментом аллиинлиазой на пируват, аммиак и луковые масла. Аллицин и пропантиалсульфоксид являются сильными отпугивающими веществами (пропантиалсульфоксид — фактор, обусловливающий свойство лука вызывать слезотечение!) с одновременным бактерицидным действием (подавление развития бактерий в поврежденной ткани!), диаллилдисульфид отвечает за возникновение характерного запаха лука.

Многие биогенные амины появляются в результате декарбоксилирования из гомологичных им аминокислот; например, кадаверин — из лизина, триптамин — из триптофана, гистамин — из гистидина (см. рис. 6.109, Б). Биогенные амины могут быть биосинтетическими предшественниками алкалоидов (см. 6.16.3), триптамин является исходным веществом для синтеза фитогормона индолил-3-уксусной кислоты (см. 7.6.1.2), а гистамин наряду с серотонином и ацетилхолином входит в состав содержимого жгучих волосков (см. рис. 3.15) крапивы, вызывая зуд и болезненную реакцию ткани (образование волдырей) на коже позвоночных животных. Это сильнодействующее вещество предохраняет растение данной систематической группы от поедания животными (защита от растительноядных животных, см. 9.4.1)!





Для любых предложений по сайту: [email protected]