Нуклеиновые кислоты. биосинтез белка

Химический состав клетки

 

Биохимия растений - на­ука, изучающая химическое строение, свойства и пре­вращения органических веществ, слагающих отдель­ные клетки и растительный организм в целом. Ряд органических веществ специфичен для опре­деленных семейств, родов и даже отдельных видов растений. На этой основе наряду с ботанической клас­сификацией, построенной на особенностях строения генеративных органов, в настоящее время довольно быстро и успешно развивается хемосистематика.

 

Белки

Наиболее важными для жизни любой клетки явля­ются белки - вещества с очень большой молекулярной массой, поверхностью раздела и реакционной способ­ностью. Молекулы белков - это основные компоненты цитоплазмы, ядра, пластид, митохондрий и других орга­нелл клеток, всех мембран. Белками являются и биоло­гические катализаторы клетки - ферменты.

Структурной основой белка, мономерами белковой молекулы являются аминокислоты. В свою очередь, аминокислоты представляют собой производные карбоновых кислот, В которых у α-углеродного атома (со­седнего с карбоксилом) один атом водорода замещен аминной группой NH₂. Общая формула аминокислот следующая:

 

где R - радикал, который у разных аминокислот имеет различное строение.

Таким образом, аминокислоты, отличаясь от дру­гих веществ наличием в молекуле карбоксила СООН и аминогруппы NH₂, являются одновременно кислотами и основаниями и относятся к группе амфотерных со­единений. Они выполняют в клетке буферную роль, поддерживая определенную концентрацию водородных ионов. Белки, состоящие из остатков аминокислот и содержащие то или иное количество свободных амин­ных и карбоксильных групп, также обладают амфотер­ными свойствами.

В составе белков в различных сочетаниях найдено 20 аминокислот. Это протеиногенные (образующие белки) аминокислоты:

 

При образовании молекулы белка аминокислоты соединяются между собой через аминогруппу одной и карбоксильную группу другой:

 

Между молекулами аминокислот образуется пеп­тидная связь (-CO-NH-) и выделяется одна моле­кула воды. При соединении двух аминокислот образу­ется дипептид, многих - полипептид. Все они связаны между собой пептидной связью:

 

Чередование аминокислотных остатков в молеку­ле определенного белка строго специфично, закрепле­но генетически. При нарушении последовательности аминокислотных остатков в молекуле белка его свой­ства резко изменяются. Наряду с простыми белками ­протеинами различают сложные белки - протеиды. Последние образуются путем соединения простых белков с веществами небелковой природы:

- липопротеид - протеин соединяется с липидом;

- гликопротеид состоит из протеина и молекулы углевода;

- нуклеопротеид - из протеина и нуклеиновой кис­лоты;

- хромопротеид - из протеина и пигмента.

В настоящее время различают четыре структуры белковых молекул.

Полипептидная цепь с определенной последова­тельностью чередования аминокислот называется пер­вичной структурой белка. Число возможных вариан­тов первичной структуры белка огромно. Для молеку­лы белка, состоящей из 20 разных аминокислот и содержащей 100 аминокислотных остатков, эта вели­чина составит 20100.

Нить нативного полипептида в значительной своей части бывает закручена в виде спирали, и каждый но­вый виток этой спирали близко соприкасается с рядом расположенным витком. Последние связаны между собой водородными связями, которые возникают между группами N-H и С=О. Это вторичная структура белка. Несмотря на большую слабость водородных свя­зей по сравнению с ковалентными связями, они играют важную роль в поддержании вторичной структуры бел­ка, так как их образуется очень много.

Спирали вторичной структуры белка, связанные между собой в клубки (глобулы), дают третичную структуру белка.

Несколько полипептидов, которые имеют третич­ную структуру, могут объединяться в более крупные агрегаты четвертичной структуры. В этом случае ук­ладка белковых цепей также не случайна, а строго детерминирована. В создании третичной и четвертич­ной структур белка наряду с водородными связями большую роль выполняют также дисульфидные мос­тики (--S-S--), ионные связи и другие.

Последние десятилетия ознаменовались крупны­ми успехами в изучении белков. Это позволило ближе подойти к унифицированной классификации этого важнейшего класса органических веществ. Современ­ные классификации белков базируются на функцио­нальном принципе: за основу отнесения белка в ту или иную группу принимается функция, которую выпол­няет белок в клетке. Обобщенная классификация вклю­чает следующие основные группы белков: структурные, каталитически активные белки, или ферменты, транспортные, защитные, сократительные, токсины, белки-регуляторы активности генома, белки ­- ингибиторы ферментов, запасные и др.

Транспортные белки осуществляют перенос раз­личных веществ, например РНК, из ядра в цитоплазму клеток. Характерной особенностью этих белков явля­ется их высокое химическое сродство с соединениями, которые они переносят.

Защитные белки вырабатываются растительны­ми и животными клетками в ответ на проникновение или введение в них чужеродных веществ, вирусов, бактерий, а также клеток или тканей при прививках, пересадках тканей и т.п. Эти не свойственные веще­ства для данных клеток и тканей клетки или даже орга­низмы получили название антигенов. Защитные белки (антитела), взаимодействуя с антигенами, связывают их, переводя в неактивное состояние, и тем самым защи­щают клетки и ткани от повреждений.

Сократительные белки обеспечивают движение цитоплазмы, ее мембран, органелл и рибосом в клетке, жгутиков и ресничек.

Токсические белки проявляют болезнетворные свойства: это токсины ядовитых грибов, некоторых бактерий, яды змей и пауков.

Белки, определяющие видовую специфику рас­тений, регулирующие деление клеток, рост, развитие и в целом морфогенез растений, получили название белков - регуляторов активности генома. Наиболее изу­ченными из них являются гистоны - стабилизаторы определенных участков молекулы ДНК.

Есть и белки, которые, соединяясь с фермента­ми, способны снижать активность работы последних; это белки - ингибиторы ферментов.

Данная классификация, несмотря на ряд преиму­ществ, еще далека от совершенства. Если белок имеет несколько функций, то, естественно, отдается предпоч­тение какой-то одной, но главной.

В живых клетках постоянно происходят как про­цессы синтеза, так и процессы распада белковых мо­лекул. С помощью протеолитических ферментов белки расщепляются до полипептидов, а затем аминокислот. Продукты гидролиза белков могут пойти на различные процессы обмена веществ, в том числе на биосинтез новых молекул белков.

Процессы разложения белков с возрастом расте­ния или в условиях сильных стрессов ускоряются. Механические повреждения клеток и тканей также способствуют этому.

Обновление молекул белков в растениях происхо­дит довольно быстро. У ряда растений в течение суток происходит обновление половины молекул белков, а через 3 - 5 суток они обновляются полностью.

 

Углеводы

Роль углеводов в жизни растений трудно переоце­нить. Они - основной питательный и структурный материал растительных клеток и тканей, образуются в процессе фотосинтеза. Углеводы входят в состав кле­точной оболочки, участвуют во многих процессах жиз­недеятельности, служат запасными и энергетически­ми веществами растения.

Все многообразие углеводов делится на две большие группы: монозы, или моносахариды (простые углеводы), и полиозы, или полисахариды (сложные углеводы).

Монозы представляют собой производные много­атомных спиртов. Простые углеводы хорошо раствори­мы в воде и легко транспортируются по всему растению. Они принимают активное участие в таких важнейших процессах жизнедеятельности, как фотосинтез, дыхание.

В молекуле моноз одновременно содержатся гидроксильные и альдегидные или кетонные группы. При наличии в молекуле альдегидных остатков моно­зы носят название альдоз, кетонных - кетоз.

Различают монозы и по количеству атомов углерода в мо­лекуле: триозы (глицериновый альдегид, или альдот­риоза, фосфодиоксиацетон, или кетотриоза, и др.), тетрозы (эритроза), пен­тозы (рибоза, дезоксирибоза, ксилоза, арабиноза и др.), гексозы (глюкоза, фруктоза и др.), гептозы (манногеп­тулоза, седогептулоза).

Пентозы арабиноза и ксилоза являются компо­нентами гемицеллюлоз клеточной оболочки, а рибо­за и дезоксирибоза входят в состав нуклеиновых кислот, АТФ, АДФ и других важных соединений. Фос­форилированная пентоза рибулозо-1,5-дифосфат слу­жит акцептором углекислоты в процесс е фотосинте­за. В древесных растениях встречается много моноз, но наиболее распространенными из них являются глюкоза и фруктоза.

Полиозы, в свою очередь, делятся на олигосахариды, или полиозы 1 порядка (сахароза, маль­тоза, стахиоза и др.), у которых в молекулах содержит­ся небольшое число монозных остатков, и полисахариды 2 порядка (крахмал, целлюлоза, гемицеллюлоза, инулин, пектиновые вещества и др.), состоящие из множества остатков простых углеводов. Из дисахари­дов - углеводов, состоящих из двух моноз, наиболее важными в жизни растений являются сахароза, маль­тоза и целлобиоза. При гидролизе дисахаридов происхо­дит их распад на 2 молекулы моноз: сахарозы - на глю­козу и фруктозу, мальтозы и целлобиозы - на 2 молеку­лы глюкозы, лактозы - на глюкозу и галактозу.

Сахароза C₁₂Н₂₂О₁₁ - дисахарид; широко распрост­ранен в мире растений. Вместе с крахмалом является основным запасным углеводом. Особенно много саха­розы в корнеплодах сахарной свеклы (до 20 %) и сахар­ном тростнике (до 25 %). Эго и основная транспортная форма углеводов у большинства растений, в том числе древесных. Молекула сахарозы состоит из остатков α-­глюкопиранозы и β-фруктофуранозы, соединенных между собой своими гликозидными гидроксилами.

Мальтоза, или солодовый сахар, обычно образует­ся при гидролизе крахмала. В большом количестве содержится в солоде, откуда и ее второе название. Один из остатков глюкозы в молекуле мальтозы явля­ется α-глюкозой. Поэтому этот дисахарид представля­ет собой α-глюкозидоглюкозу.

Целлобиоза входит в состав молекулы целлюлозы. В свободном виде встречается в пасоке некоторых деревьев. От мальтозы отличается лишь наличием β-1,4-гликозидной связи, являясь β-глюкозидоглюкозой.

Из тетрасахаридов следует назвать стахиозу. Она широко распространена у многих растений, а из дре­весных - у ясеня. Молекула стахиозы состоит из двух остатков α-галактозы, одного остатка α-глюкозы и од­ного остатка фруктозы.

Из полисахаридов 2-го порядка следует особо вы­делить целлюлозу и крахмал. Целлюлоза, или клетчатка, (С₆Н₁₀О₆)_n - широко распространена в растениях. Молекула целлюлозы является линейным полимером глюкозы, соединенной попарно в целлобиозы.

Целлюлоза - основной компонент оболочек рас­тительных клеток. Отличается исключительной стой­костью, нерастворимостью в воде, кислотах и щелочах. Лишь при кипячении в крепкой серной кислоте гидро­лизуется с образованием глюкозы. Целлюлоза имеет огромное промышленное значение (бумажная, гидро­лизная и текстильная промышленность, изготовление взрывчатых веществ и др.).

Крахмал в растениях находится в виде зерен, раз­личающихся даже у одного и того же растения своими формами, размерами, свойствами и химическим соста­вом. Это позволяет обнаруживать примеси одного про­дукта в другом, например, в пшеничной муке - при­месь муки из кукурузы или овса. Молекула крахмала состоит из смеси двух полисахаридов - амилозы и амилопектина. Амилоза состоит из многих глюкозных остатков, связанных гликозидными связями между 1- м и 4-м атомами углерода.

Молекула амилопектина также состоит из много­численных остатков глюкозы, но кроме связей между l-м и 4-м углеродными атомами имеет и связи между l-м и 6-м с образованием разветвленной структуры.

Исключением из общего правила является крах­мал яблок, состоящий только из молекул амилозы. Амилоза и амилопектин различаются своей раствори­мостью в воде: амилоза легко растворяется в теплой воде, амилопектин - весьма трудно. Водные раство­ры амилозы нестойки, амилопектина, наоборот, очень устойчивы.

Крахмал - одно из основных запасных веществ растительных клеток. Он нерастворим в воде, с йодом дает характерное синее окрашивание, что позволяет легко его обнаруживать в различных частях растения.

Из других полисахаридов 2-го порядка необходи­мо упомянуть инулин, В молекуле которого мономером выступает фруктоза. Это также запасное вещество, встречающееся в клубнях и корнях некоторых расте­ний (топинамбур, цикорий, одуванчик, георгин), заме­няя в них крахмал. Инулин растворим в воде, осажда­ется из водных растворов при добавлении спирта. В растениях, содержащих инулин, а также в плесне­вых грибах и дрожжах имеется фермент инулаза, гид­ролизующая инулин до фруктозы. Промышленный способ получения фруктозы из растений, содержащих инулин, заключается в его гидролизе различными кис­лотами. Фруктоза отличается наиболее высокой сладо­стью из всех известных сахаров.

 

Липиды

Важную роль в проявлении свойств живой клетки играют липиды:

· они являются структурными компонентами биоло­гических мембран и определяют проницаемость как клетки в целом, так и клеточных компонентов, активность ряда ферментов;

· участвуют в процессах адсорбции различных ве­ществ;

· откладываются в запас;

· выполняют защитные функции, предохраняя растения от обезвоживания, проникновения инфек­ции, повышая устойчивость растений к низкой от­рицательной температуре;

· обладают способностью ориентирования молекул различных веществ относительно структурных ком­понентов клетки и т. д.

Содержание их составляет 2 - 3 % на сухую массу, а в маслянистых семенах - до 60 %.

Липиды обладают характерными гидрофобными свойствами, нерастворимы в воде. Растворяются они лишь в различных органических растворителях: бен­зине, бензоле, хлороформе, эфирах. В группу липи­дов входят жиры и жироподобные вещества, или ли­поиды. Отсюда различная химическая природа ли­пидов.

Жиры являются важнейшими запасными веще­ствами клетки, фосфолипиды, гликолипиды и стерои­ды - компонентами биологических мембран. Воски выполняют защитную роль, покрывая поверхность листьев и плодов.

В химическом отношении жиры - сложные эфи­ры, состоящие из трехатомного спирта глицерина и высокомолекулярных насыщенных (не содержащих двойных связей) и ненасыщенных (с двойными связя­ми) жирных кислот. Соотношение насыщенных и нена­сыщенных жирных кислот и их абсолютное количество влияют на свойства жиров. К насыщенным жирным кислотам относят пальмитиновую, стеариновую и др., к ненасыщен­ным - олеиновую, линолевую, линоленовую и др.

Общая формула жиров имеет следующий вид:

 

К липоидам относятся воски, фосфолипиды, гли­колипиды, сульфолипиды, стероиды.

Фосфолипиды отличаются от жиров наличием в молекуле остатка фосфорной кислоты:

 

Если молекулы фосфолипидов содержат остатки холина, то они носят название лецитинов; фосфатилсерином называют фосфолипид, содержащий оста­ток серина, фосфатидилэтанолимином (кефалином) - ­фосфолипид, содержащий остаток этаноламина.

Фосфолипиды обладают полярностью: так называ­емая головка молекулы фосфолипида, состоящая из холина или других указанных выше веществ и фосфор­ной кислоты, имеет гидрофильные, а остатки жирных кислот другого конца молекулы - гидрофобные свой­ства. Ориентированные строго определенным образом на границе раздела двух фаз, фосфолипиды играют важную роль как в структуре цитоплазмы и биологи­ческих мембран, так и в определении их свойств, в частности проницаемости, а также активности мемб­ранных ферментов.

Воски представляют собой сложные эфиры, обра­зованные жирными кислотами и высокомолекулярны­ми одноатомными спиртами. В их состав входят как уже названные жирные кислоты, так и характерные только для восков: карнаутовая, церотиновая, монтановая и др.

Гликолипиды - сложные соединения, которые образуются путем взаимодействия жирных кислот не только с глицерином, но и с углеводами. В качестве углеводных компонентов выступают галактоза, а также глюкоза и шестиатомный спирт инозит. При взаи­модействии с сульфатом гликолипиды образуют суль­фолипиды - вещества, принимающие участие в струк­туре хлоропластов. Гликолипиды, входя в состав био­логических мембран, играют важную роль в регулировании метаболизма клетки. Выполняют они и запасную функцию в растениях.

Стероиды - вещества со сложной циклической структурой, возникающие путем конденсации терпе­ноидов, исходным материалом которых служит ацетил (СН₃СО). К стероидам относят стеролы и их производ­ные. Наиболее распространенным стеролом у расте­ний является эргостерол, который содержит­ся в семенах ряда растений, в плесневых грибах, дрож­жах. Стероиды или стерины часто называют псевдолипидами, ибо они не являются производными жирных кислот. Подобную химическую природу име­ют и другие псевдолипиды - терпены и убихиноны.

Представителями терпенов являются изопрен (С₅Н₈), монотерпены (С₁₀Н₁₆), секвитерпены (С_I5Н₂₄), дитерпены (С₂₀Н₃₂), тритерпены (С₃₀Н₄₈ - смолы, ла­тексы), тетратерпены (С₄₀Н₅₆ - каротины, ксантофил­лы) и политерпены (С₅Н₈) - каучук, гутта. Цикличес­кий монотерпен лимонен является непременной со­ставной частью эфирных масел цитрусовых и некоторых других растений (укроп), а дициклические терпены пинен и карен входят в состав живицы хвой­ных древесных пород.

К убихинонам относят группу замещенных бен­зохинонов. Они являются коферментами и выполняют важные функции в окислительном фосфорилировании в качестве переносчиков электронов в ЭТЦ между флавопротеинами и цитохромом b. Пластохинон хло­ропластов растений участвует в фотосинтетическом нециклическом фосфорилировании, перенося электро­ны от их акцептора к цитохрому b.

 

Витамины

К витаминам относят вещества высокой физиологической активности, имеющие различную химическую природу и выполняющие разнообразные функции. Зеленые растения не испытывают в норме недостатка в витаминах, ибо сами способны их синтезиро­вать. Вместе с тем многие микроорганизмы, грибы, а в особенности животные, нуждаются в экзогенных (по­ступающих извне) витаминах.

По мере открытия и изучения отдельных витами­нов им давались названия букв латинского алфавита. Такая классификация, естественно, совершенно не от­ражала ни химическую специфику, ни функциональ­ные особенности и свойства витаминов. Затем была принята классификация, основанная на растворимос­ти витаминов в жирах (витамины А, Е, К, Д и др.) и в воде (витамины В₁, В₂, В_з, В_б, РР, С, Н и др.). Данная классификация также не увязывает строение и функ­ции витаминов в клетке.

После уточнения химического строения витаминов (их около 30) появилась возможность принять хими­ческую классификацию, включающую 4 класса:

1. Витамины алифатической или ациклической при­роды (атомы углерода в молекулах соединены меж­ду собой в прямые или разветвленные цепи) - ­витамины С, В₃ и др.

2. Витамины ароматической природы с бензольным кольцом - витамин К.

3. Витамины ациклической природы (молекулы со­держат одно или несколько колец неароматичес­кого характера) - витамин А, провитамин А (каро­тин) и др.

4. Витамины гетероциклического ряда (в кольцах молекулы содержатся не только атомы углерода, но и других элементов, например серы, азота, фос­фора и др.) - витамины Е, РР, В₁ В₂, В₆ и некото­рые другие.

Большинство витаминов входит в состав фермен­тов, чем и определяется их основная физиологическая роль. Некоторые витамины являются промежуточны­ми продуктами биохимических реакций, переносчика­ми химических групп, факторами роста микроорганиз­мов.

Bumaмин С (аскорбиновая кислота) весьма широко распространен в растениях. Особенно богаты им пло­ды шиповника, незрелые грецкие орехи, черная смо­родина, барбарис, хвоя сосны, ели, пихты и др. Физиологическая роль витамина С в растениях связана с его редуцирующими (восстанавливающими) свойства­ми: отдавая два атома водорода, аскорбиновая кислота превращается в дегидроаскорбиновую кислоту:

В клетках растений витамин С принимает актив­ное участие в восстановлении различных окисленных форм органических веществ, в том числе ферментов. При хранении плодов, овощей, хвои содержание вита­мина С резко понижается. Максимального содержа­ния аскорбиновая кислота в листьях растений дости­гает к цветению, затем количество ее быстро умень­шается.

Пантотеновая кислота (витамин В₃) образуется толь­ко в молодых листьях и кончиках корней. Она входит в состав кофермента А, с чем и связана физиологическая функция этого витамина: активирование и перенос различных кислотных остатков в процессе дыхания, участие в синтезе жирных кислот, стеролов и других соединений. В проростках растений витамин В₃ синте­зируется позднее многих других витаминов, так как его биосинтез связан с процессом фотосинтеза.

Вимамин А в растениях не встречается и представ­лен провитамином А (каротином). Наибольшее количе­ство провитамина А наблюдается в корнеплодах мор­кови, в листьях растений, особенно овощных.

Витамин К (точнее комплекс витаминов К) содер­жится в зеленых частях растений, особенно бобовых. Длинная боковая цепь молекулы витамина является остатком спирта фитола, входящего в состав хлорофил­ла. Играет важную роль в процессе фотосинтеза.

Витамин Е - комплекс изомеров токоферолов. В больших количествах накапливается в зародышах злаков, а также в листьях растений. В молекуле токоферо­лов наряду с циклическим соединением триметилгидро­хиноном находится остаток фитола. Основная физиоло­гическая роль витамина Е сводится к предохранению от окисления жирных кислот, каротина и некоторых других веществ, участию в процессе дыхания и обмене некото­рых углеводов.

Витамин РР (никотиновая кислота) представляет собой гетероциклическое соединение. Физиологичес­кой активностью обладает и амид никотиновой кисло­ты. Никотиновая кислота входит в состав более чем 100 различных ферментов, особенно дегидрогеназ, принимающих участие в процессах дегидрирова­ния - отщепления водорода от окисляющихся ве­ществ. Биосинтез витамина РР начинается сразу же после прорастания семян, и уже через неделю коли­чество витамина увеличивается у некоторых растений более чем в 20 раз.

Гетероциклическим является и витамин B₁ (тиа­мин). В молекуле тиамина содержится атом серы. В ра­стениях синтезируется также сразу после прорастания семян. Максимальное содержание витамина В₁ отме­чено в период цветения растений. В корни растений поступает из надземных частей. Тиамин входит в со­став ряда ферментов, участвующих в процесс е ды­хания, обмене углеводов в растениях, в виде фосфор­нокислого эфира тиаминпирофосфата.

Bитaмuн В₂ (рибофлавин) в химическом отношении представляет собой азотистое гетероциклическое ос­нование диметилизоаллоксазин, соединенное с остат­ком пятиуглеродного спирта рибита. Соединяясь с фосфорной кислотой, рибофлавин входит в состав ряда окислительно-восстановительных ферментов, а также ферментов, участвующих в азотном обмене растений.

Bитaмuн В₆ (пиридоксин) является производным азотистого основания пиридина. В форме своего фос­форилированного производного пиродоксалъфосфата входит в состав ферментов трансаминаз, катализиру­ющих реакции переаминирования (переноса аминог­руппы с первичных аминокислот на органические кислоты с образованием новых аминокислот), декарбоксилирования (отщепления углекислоты) и дезами­нирования (отщепления аминогруппы). Участие в белковом обмене - основная функция пиродоксина в растениях.

 

Ферменты

Важнейшую роль в обмене веществ и трансфор­мации энергии в клетке играют биологические ката­лизаторы белковой природы - ферменты.

Все ферменты по своей химической природе раз­деляются на два больших класса:

· однокомпонентные

· двухкомпонентные.

Первые состоят исключительно из белка. В моле­куле вторых кроме белка имеется небелковая часть. Белковая часть двухкомпонентного фермента носит название апоферменmа, а небелковая - коферменmа. В качестве коферментов выступают, прежде всего, ви­тамины В₁, В₂ и их различные производные, витамин В₆, никотиновая кислота и др., а также металлы (железо, медь, кобальт, марганец и др.).

По месту расположения ферменты делятся на три группы:

· эндоферменmы. Действуют в клетке, где образова­лись;

· экmоферменmы. Участвуют в процессах на цитоп­лазматической мембране;

· экзоферменmы. Синтезируются в клетке, выделя­ются из нее и осуществляют свою работу вне ци­топлазматической мембраны, снаружи от нее.

Высшим растениям более всего присущи ферменты первой группы. Так, ферменты фотосинтеза расположе­ны в хлоропластах, дыхания - в митохондриях и т.д.

Ферменты второй и третьей групп особенно боль­шое распространение получили в мире микроорганиз­мов. Они действуют главным образом в субстрате, на котором поселяются микробы. Поэтому их нередко называют внеклеточными ферментами. Однако и у высших растений наблюдается выделение ферментов из клеток, например из корня - в прикорневую зону (ризосферу) или из щитка зародыша злаков - в эндос­перм. Выделению ферментов клетками корней нередко способствуют неблагоприятные внешние условия (анаэробиоз и др.).

Ферменты отличаются следующими общими осо­бенностями:

· большой каталитической активностью, значи­тельно более высокой, чем у неорганических ката­лизаторов (напомним, что катализ - это явление изменения скорости химической реакции или ее возбуждения с помощью катализаторов, химичес­кий состав которых и их количество после реак­ции остаются неизменными);

· специфичностью действия, под которой понима­ется способность фермента реагировать только с определенными веществами (субстратами) и дей­ствовать только на определенные химические свя­зи; иначе эту особенность называют субстратной специфичностью фермента;

· лабильностью, т.е. способностью изменять ско­рость реакции в зависимости от действия ряда вне­шних и внутренних условий;

· обратимостью действия - способностью катали­зировать взаимопротивоположную направленность хода реакции; эта особенность присуща далеко не всем ферментам.

Важной характеристикой любого фермента явля­ется константа Михаэлиса. Под этой константой по­нимается такая концентрация субстрата, при которой скорость ферментативной реакции составляет полови­ну от возможно максимальной концентрации. При малых количествах субстрата скорость фермен­тативной реакции пропорциональна его концентра­ции. С возрастанием концентрации субстрата ход реакции ускоряется все в меньшей и меньшей степе­ни, а затем становится независимой от нее (выход кривой на плато) и будет уже определяться концент­рацией фермента.

 

В живой клетке наряду с химической энергией (АТФ) имеется и другой источник унифицированной энергии - физическая (электрическая), которая носит название мембранного потенциала. Он представляет собой разность электрических потенциалов между цитоплазмой клетки и внеклеточной жидкостью.

По современным представлениям, химическая ре­акция может произойти только тогда, когда молекулы реагирующих веществ будут активированы, т.е. будут иметь определенное дополнительное количество энер­гии. Без катализатора таких активированных молекул немного и реакции протекают очень медленно. При добавлении катализатора энергия активации, при кото­рой начинается реакция, понижается, а число молекул, которые способны вступить в реакцию, увеличивается. Вместе с этим возрастает и число столкновений моле­кул между собой, скорость реакции увеличивается. Катализатор снижает энергию активации за счет обход­ных, дополнительных путей, через ряд промежуточных процессов, требующих меньшее количество энергии. Ниже приводится иллюстрация сказанному.

Реакция распада вещества АВ на А и В без катали­затора записывается так:

AВ → A + B.

С катализатором (К) та же реакция будет прохо­дить в несколько этапов:

1)AВ+K → AВK; 2)AВK → BK+A; 3)BK → B+К.

Катализатор снова регенерируется в неизменном виде, а промежуточные реакции, проходя с меньшей затратой энергии, идут быстро, и, следовательно, скорость суммарной реакции АВ → А + В значительно возрастает.

Во взаимодействие с субстратом вступает часть молекулы фермента, получившая название активно­го центра. Фермент несколько деформирует молеку­лу субстрата с образованием фермент-субстратного комплекса. Эта деформация ослабляет внутримоле­кулярные связи в субстрате и делает его молекулу способной вступать в реакцию. На активный центр фермента сильное влияние оказывают специфичес­кие активаторы и ингибиторы, ускоряющие или за­медляющие его действие. Есть также ингибиторы и активаторы, присоединяющиеся не к активному цен­тру фермента, а к другой его части. При этом изме­няется структура молекулы в результате вращения атомов или групп атомов вокруг простых связей, а сле­довательно, и структура активного центра. В резуль­тате этих конформационных перестроек происходит ослабление или усиление активности фермента. Уча­сток молекулы фермента, к которому присоединяют­ся ингибиторы или активаторы (эффекторы), вызыва­ющие изменение структуры активного центра, носит название аллостерического центра.

На скорость ферментативных реакций наиболее сильное влияние из внешних факторов оказывают тем­пература и рН среды.

С повышением температуры до определенных значений скорость ферментативной реакции возрас­тает, затем, достигнув максимальной величины, начи­нает падать. для большинства ферментов это 40 - 50° С. Начиная с 50° С и выше скорость ферментативной ре­акции снижается из-за потери активности фермента вследствие нарушения структуры белка, его денатура­ции. При этом восстановление активности с наступле­нием в последующем оптимальной температуры не происходит в отличие от действия пониженных темпе­ратур, когда перенесение тканей в условия с благопри­ятной температурой восстанавливает свойственную ферментам активность. Сопоставление скоростей ферментативных и химических реакций при изменении температуры показывает - до момента достижения максимальной скорости работы фермента зависимость скорости химической реакции одинакова с фермента­тивной, а затем первая продолжает повышаться, в то время как ферментативная из-за денатурации белка ферментов резко падает.

Большинство ферментов полностью инактивирует­ся при температуре 60° С. Встречаются и довольно ус­тойчивые ферменты, например рибонуклеаза или пе­роксидаза хрена. После промораживания активность ферментов восстанавливается, поэтому в заморожен­ном состоянии можно достаточно долго хранить фер­менты вне клетки. В целом белки-ферменты более ус­тойчивы к температуре, чем структурные белки цито­плазмы.

Значительная часть ферментов действует с наиболь­шей скоростью при реакции среды слабокислой или близкой к нейтральной. Вместе с тем, почти каждый фермент имеет свои кардинальные точки рН среды. Поэтому кислотность внутри клетки является одним из важнейших регуляторов обмена веществ.

На скорость ферментативных реакций оказыва­ют также влияние концентрация ионов, окислительно-восстановительный потенциал и другие факторы.

В природе существует огромное количество не только отдельных ферментов, но и ферментных сис­тем. Список ферментов 1972 г. уже содержал более 2000 наименований. Примерно двести из них получе­ны в кристаллическом виде. Для сотен из них выясне­ны различные структуры. Для каждого фермента оп­ределено название, исходя из его основной функции, и присвоены кодовые числа и шифры. Шифр каждого фермента содержит четыре числа, разделенных точка­ми, и составлен по следующему принципу: первое число указывает класс фермента, второе - подкласс, третье - подподкласс, четвертое - порядок фермента в подподклассе.

В основу классификации ферментов положена природа химических превращений, тип реакций, ката­лизируемых ферментами. По этим признакам все мно­гообразие ферментов раздельно на шесть классов: ок­сидоредуктазы (окислительно- восстановительные фер­менты); трансферазы; гидролазы (гидролитические ферменты); лиазы; изомеразы; лигазы (синтетазы).

К оксидоредyктазам относятся ферменты, ката­лизирующие реакции окисления и восстановления. Они переносят протон или электрон от одного субстрата к другому, окисляя первый и восстанавливая второй. Эти ферменты участвуют во всех процессах биологическо­го окисления - дыхания и брожения.

Из этого класса ферментов особо следует выделить дегидрогеназы, катализирующие реакции отщепления водорода от одного вещества и перенос его к другому. Первое вещество в данном случае называется донором водорода, а второе - акцептором его. Дегидрогеназы разделяют на флавиновые и пиридиновые.

Пиридиновые дегидрогеназы. Их называют анаэ­робными, так как они непосредственно кислороду передавать водород не могут.

Коферментами пиридиновых дегидрогеназ являют­ся никотинамидадениндинуклеотид-фосфат (НАДФ) и никотинамидадениндинуклеотид (НАД). НАД представляет собой динуклеотид, состоящий из азотистого ос­нования аденина, амида никотиновой кислоты (вита­мина РР), двух молекул сахара рибозы и двух остатков фосфорной кислоты. НАДФ отличается от НАД присут­ствием третьего остатка фосфорной кислоты. Со сво­им апоферментом они связаны только в момент осуще­ствления реакции дегидрирования. Одни дегидрогена­зы содержат только НАДФ, другие - НАД, т.е. эти коферменты не могут замещать друг друга.

Взаимодействуя с субстратом, дегидрогеназы от­нимают от него два иона водорода и два электрона. Способностью обратимо присоединять протоны и элек­троны обладают их коферменты. Например, НАДФ переходит в восстановленную форму НАДФН₂, НАД - в НАДН₂. Примерами анаэробных дегидрогеназ являются малатдегидрогеназа, катализирующая превращение яблочной кислоты в щавелево­уксусную, и алкогольдегидрогеназа, пре­вращающая этиловый спирт (этанол) в уксусный альдегид.

Флавиновые дегидрогеназы. Их называют еще аэробными дегдрогеназами, ибо они могут пе­редавать отнятый от донора водород кислороду воздуха.

Коферментами флавuновых дегидрогенах являются флавинадениндинуклеотид (ФАД) и флавинмононук­леотид (ФМН).ФАД и ФМН являются нуклеотидами, содержащими пятиуглеродный спирт D-рибит (рибитол) и азотистое основание рибофлавин (витамин В₂), обладающий способностью обратимого при соединения водорода. В составе ФАД находятся два нуклеотида, один из которых содержит остатки D - рибита, фос­форной кислоты и флавина, другой - остатки аденина, рибозы и фосфорной кислоты. Состав ФМН пред­ставлен D - рибитом, остатком фосфорной кислоты и флавином. Восстановленная форма ФАД обозначается как ФАД Н₂, а ФМН – ФМН Н₂. Со своим апоферментом флавиновые коферменты связаны значительно прочнее, чем пиридиновые. Другим отличием флави­новых дегидрогеназ является наличие в составе их апоферм