Конспект лекции
Первичный и вторичный метаболизм растений
Вопросы:
1. Метаболизм. Первичный и вторичный метаболизм.
2. Особенности клеточного метаболизма.
3. Клетка как открытая термодинамическая система. Виды работы в клетке. Макроэргические соединения.
4. Ферменты: структура (простатическая группа, коферменты) и функции. Классификация ферментов
5. Вторичные метаболиты, классификация, роль в жизни растения, использование человеком. Образование пигментов, токсинов, ароматических веществ микроорганизмами (грибы, бактерии).
1. Метаболизм (обмен веществ) – совокупность всех химических реакций, идущих в клетке.
Метаболиты – продукты обмена веществ.
Анаболизм (ассимиляция) – процесс синтеза сложных веществ из простых, для которого нужна энергия. Катаболизм (диссимиляция) – распад сложных веществ, при котором освобождается энергия.
Первичный метаболизм – дыхание, фотосинтез, синтез ДНК, РНК, белков, липидов.
Вторичный метаболизм – синтез вторичных метаболитов.
Первичные метаболиты – низкомолекулярные соединения (молекулярная масса 2-3 кДа), необходимые для жизнедеятельности клетки. К ним относятся пуриновые и пиримидиновые основания (нуклеотиды), аминокислоты, сахара, органические кислоты, витамины. Эти вещества участвуют в основном обмене веществ, являются коферментами (НАД, НАДФ, ФАД, ФМН), строительными блоками для более сложных соединений (высокомолекулярных). Первичные метаболиты присутствуют в любой клетке растения.
Вторичные метаболиты – низкомолекулярные вещества, не требующиеся для выживания клеток. Вторичные метаболиты – вещества, не участвующие в первичном метаболизме.
2. Особенности клеточного метаболизма
- Вещества находятся в клетке не в статическом, а в динамическом состоянии.
- Одно и то же вещество участвует в разных процессах. Например;
гликолиз
Глюкоза → пируват → Ацетил-КоА → жир
↓
цикл Кребса
↓
СО2 + Н2О
- В результате реакции образуют цепи, циклы, сети, которые могут
остановиться в любой точке (на любой реакции).
- Некоторые реакции возможны только потому, что они разделены
в пространстве, одновременно могут идти противоположные реакции.
Например: окисление глюкозы идет в цитозоле, а ее образование в
хлоропласте.
- Некоторые процессы могут идти в обратном направлении, если
есть энергия (обращенный гликолиз). Энергия для химических реакций запасается в особых химических связях АТФ.
3. Клетка как открытая термодинамическая система
Открытой называют систему, получающую энергию или вещества из другой системы (Солнце, пища). Энергия нужна для работы клетки.
Работа – процесс, для которого необходима энергия.
Виды работы в клетке:
Химическая (синтез веществ),
Электрическая (создание разности потенциалов на мембране),
Осмотическая – условное название транспорта веществ в клетку против градиента концентрации, необходимых для осмоса;
Механическая (движение хлоропластов, цитозоля),
Регуляторная (не самостоятельная, сумма первых четырех видов работы).
3.1. Законы термодинамики:
1-ый – закон сохранения и превращения энергии: общее количество энергии в изолированной системе постоянно.
Превращение энергии в клетке
1-ый этап: свет → фотосинтез → химическая энергия органических
веществ (АТФ, углеводов, белков,
липидов; связывает атомы в молекулы)
2-ой этап: химическая энергия органических веществ → дыхание → тепло
↓
аккумулируется а АТФ
2-ой закон: изолированные системы спонтанно стремятся к более низкому уровню организации: клетка → молекулы.
3-ий закон: при температуре абсолютного нуля энтропия равна 0.
3.2. Макроэргические соединения.
Важную биологическую роль в клетке играют не только высокомолекулярные ДНК и РНК, но и иные относительно просто построенные нуклеотиды, например АТФ. АТФ – аденозинтрифосфорная кислота, энергозапасающее вещество, универсальный аккумулятор энергии в живых клетках, «энергетическая валюта», которой организм расплачивается за всю работу, которую он делает.
АТФ построена из азотистого (пуринового) основания (аденина), рибозы (пентозы) и 3 остатков фосфорной кислоты, соединенных последовательно. АДФ – 2 остатка фосфорной кислоты, АМФ – один остаток фосфорной кислоты. Связи между остатками фосфорной кислоты в молекуле АТФ легко разрываются.
Связи, соединяющие два последних остатка фосфорной кислоты, называют макроэргическими (высокоэнергетическими) и обозначают на схемах волнистой линией (~). Это означает, что при их разрыве освобождается много энергии: 7,3 ккал (30 кДж) вместо 3,4 ккал (8-12 кДж) на моль вещества.
При гидролизе фосфорно-эфирных связей в других соединениях выделяется гораздо меньше энергии – 2-3 ккал /моль.
АТФ при этом превращается в АДФ, а если гидролиз продолжается, то и в АМФ: АТФ → АДФ → АМФ; АТФ → ФФн (пирофосфат) (Розенгард, рис. 5, стр. 21). Выделяющаяся энергия используется для работы.
АТФ + Н2О → АДФ + Фн - 7,3 ккал /моль (30 кДж/моль)
АДФ + Н2О → АМФ + Фн - 7,3 ккал /моль (30 кДж/моль)
АМФ + Н2О → Аденозин + Фн - 3,4 ккал /моль (30 кДж/моль)
АТФ → АМФ + пирофофсфат (Фн Фн)
АДФ + Фн + энергия → АТФ + Н2О
↑ ↓
световая или энергия, запасенная в
освобождаемая фосфатной связи
при дыхании
Образование таких связей требует притока энергии извне (там же рис. 6, стр. 21).
Все эти реакции происходят с помощью фермента АТФ-азы (аденозинтрифосфотазы).
В клетках существуют и другие макроэргические соединения: УТФ, ГТФ и др.
4. Ферменты
- биологические катализаторы, образующиеся в клетке и являющиеся белками, постепенно расходуются.
- В клетке тысячи ферментов.
4.1. Строение ферментов
Фермент
Однокомпонентный двухкомпонентный
(белок, простой) (сложный белок)
белок (апофермент) небелковый компонент
простетическая группа кофермент
Простетическая группа | Кофермент |
- Прочно связана с белком | - слабо связан с белком, иногда только на время реакции; |
- В ее состав входят металлы (Fe, Cu, Zn) | - может быть в разных ферментах, характер реакции зависит от белка; |
- Fe может входить в соединении с 4 пиррольными кольцами – геминовое железо (гем). | - образуются в процессе обмена веществ |
| - НАД, НАДФ, ФАД, ФМН, КоА, КоQ. |
НАД – никотинамиддинуклеотид,
НАДФ – никотинамиддинуклеотидфосфат,
ФАД – флавинадениндинуклеотид,
ФМН – флавинмононуклеотид.
Фермент без кофермента неактивен.
В молекуле фермента есть активный центр, к нему прикрепляется вещество (субстрат), вступающее в химическую реакцию. Чтобы фермент соединился с субстратом, форма молекулы субстрата должна соответствовать форме активного центра, как ключ соответствует замку или рука – перчатке.
5. Вторичные метаболиты
Способность синтезировать вторичные метаболиты – еще одна особенность зеленого растения. Вторичные метаболиты синтезируются в клетках высших растений, водорослей, грибов, бактерий. В результате селекции способность культурных растений синтезировать вторичные метаболиты снизилась.
Признаки вторичных метаболитов:
- низкая молекулярная масса.
- у разных растений могут синтезироваться различные вторичные метаболиты, они имеют биологическую активность,
- синтезируются из небольшого набора исходных соединений. Например, для синтеза алкалоидов необходимо 7 – 8 аминокислот, фенолы синтезируются из фенилаланина, а изопреноиды – из мевалоната.
Вывод: необходимо учитывать все признаки, а также функции вторичных метаболитов. Вторичные метаболиты имеют значение на организменном уровне, а не на клеточном.
Известно 45 000 вторичных метаболитов. За их синтез отвечает 15 – 25% генов.
Используя химическую классификацию, вторичные метаболиты делят на несколько групп, главные из которых: фенольные соединения, алкалоиды, изопреноиды.
5.1. Фенольные соединения – вещества ароматической природы, содержащие один или более гидроксильных групп у бензольного кольца. Вещества с одной гидроксильной группой называются фенолами, с двумя и большим числом гидроксильных групп – полифенолами.
Фенольные соединения могут содержать в молекуле 1 бензольное кольцо (фенольные кислоты: кофейная, коричная, кумаровая; кумарин), 2 бензольных кольца (например флавоноиды) или много (лигнин, таннин).
Фенольные соединения встречаются у всех растений, но они различны у растений разных видов. Известно 8 000 фенолов.
Антоцианы – главные в окраске цветков, плодов, придают цвет от розового до черно-фиолетового. Окраска зависит в частности от рН и групп-заместителей R, содержат О+ (четырехвалентного; оксония). Заместители R: - ОН, - ОСН3. Антоцианы поглощают свет (280 – 320 нм), защищают от УФ-лучей, благодаря антоцианам клетки эпидермы листьев задерживают до 95% УФ-лучей.
Катехины содержатся в листьях чайного куста, бесцветны, обладают Р-витаминной активностью.
Таннины – полимеры фенольных соединений, их молекулярная масса 600 – 3000 Да. Они защищают от животных, так как могут превращаться в токсичные хиноны. Содержатся в чае, вине, яблоках, смородине. Дубильные вещества по химической природе – таннины или катехины (?). Их много в галлах, коре и корке, особенно тропических пород. В коре эвкалипта – 20 – 40%.
К этой группе относятся фитоалексины, образующиеся при инфицировании клеток.
Лигнин – полимер фенольной природы (С6 – С3)n. Он обусловливает одревеснение тканей, что способствует образованию сосудов и клеток механических тканей, выполняющих опорную функцию. Лигнин всегда располагается между фибриллами целлюлозы разветвленно, подобно деревцу. Одревеснение тканей блокирует распространение патогена. При окислении с помощью нитробензола образует ванилин, сиреневый альдегид.
Фенолы находятся в вакуолях, пластидах (хлоропластах и хромопластах), в лепестках цветков, в плодах, в клеточных стенках (лигнин).
Шикимовая кислота – в хвое ели обыкновенной ее содержится до 15%.
Функции фенолов:
- участвуют в транспорте электронов при фотосинтезе и дыхании (пластохинон, убихинон),
- влияют на окраску растений (антоцианы в листьях, корнеплодах, цветках); привлекают насекомых и птиц, опыляющих цветки или переносящих семена;
- влияют на дифференцировку клеток,
- на образование в клетках гормонов (этилена, подавляют синтез ИУК);
- тормозят ризогенез и растяжение клеток;
- являются фитотоксинами (оказывают антимикробное действие);
- с их помощью одно растение может действовать на другое,
- дубильные вещества повышают устойчивость деревьев к грибным поражениям.
Используются в медицине для стерилизации, лекарства (салициловая кислота), в промышленности как красители.
5.2. Алкалоиды – гетероциклические соединения, содержащие в молекуле один или несколько атомов азота. Известно около 10 000 алкалоидов. Они найдены у 20% растений, наиболее распространены среди покрытосеменных (цветковых) растений. В моховидных и папоротниковидных алкалоиды встречаются редко.
Алкалоиды синтезируются из аминокислот: орнитина, тирозина, лизина, триптофана, фенилаланина, гистидина, атраниловой кислоты.
Они накапливаются в активно растущих тканях, в клетках эпидермы и гиподермы, в обкладках проводящих пучков, в млечниках. Они могут накапливаться не в тех клетках, где образуются, а в других. Например, никотин образуется в корнях, а накапливается в листьях. Обычно их концентрация составляет десятые или сотые доли процента, но хинное дерево содержит 15 – 20 % алкалоидов. Разные растения могут содержать различные алкалоиды. Алкалоиды находятся в листьях, коре, корнях, древесине.
Функции алкалоидов:
регулируют рост растений (ИУК), защищают растения от поедания животными.
Используются алкалоиды
в качестве лекарств: кодеин (от кашля), морфин (болеутоляющее), кофеин (при нервных и сердечно-сосудистых заболеваниях), хинин (от малярии). Атропин, пилокарпин, стрихнин, эфедрин ядовиты, но в малых дозах могут применяться как лекарства.;
никотин, анабазин используются для борьбы с насекомыми.
5.3. Изопреноиды (терпеноиды) – соединения, составленные из нескольких изопреновых единиц (С5Н8 – изопрен) и имеющие общую формулу (С5Н8)n. Благодаря дополнительным группам (радикалам) изопреноиды могут иметь число атомов углерода в молекуле и некратное 5. К терпенам относятся не только углеводороды, но и соединения со спиртовыми, альдегидными, кето-, лактон- и кислотными группами.
Политерпены – каучук, гутта.
Терпеноидами являются гибберелловая кислота (гиббереллины), абсцизовая кислота, цитокинины. Они не растворяются в воде. Находятся в хлоропластах, в мембранах.
Каротиноиды окрашены от желтого до красно-фиолетового цвета, образуются из ликопина, растворимы в жирах.
Изопрены входят
в состав масла хвои, шишек, цветков, плодов, древесины;
смол, латекса, эфирных масел.
Функции:
- защищают растения от бактерий, насекомых и животных; некоторые из них участвуют в закрытии ран и защищают от насекомых.
- к ним относятся гормоны (цитокинины, гиббереллины, абсцизовая кислота, брассиностероиды);
- каротиноиды участвуют в световой фазе фотосинтеза, входя в ССК, и защищают хлорофилл от фотоокисления;
- стеролы входят в состав мембран, влияют на их проницаемость.
Используют как лекарства (камфора, ментол, сердечные гликозиды), витамин А. Они являются основными компонентами эфирных масел, поэтому их используют в парфюмерии, содержатся в репелентах. Входят в состав каучука. Спирт гераниол входит в состав розового масла, масла лавровых листьев, в масла цветков апельсина, жасмина, масла эвкалипта).
5.4. Синтез вторичных метаболитов
характеризуется некоторыми особенностями:
1) предшественниками для них служит небольшое количество первичных метаболитов. Например, для синтеза алкалоидов необходимы 8(?) аминокислот, для синтеза фенолов – фенилаланин или тирозин, для синтеза изопреноидов – мевалоновая кислота;
2) многие вторичные метаболиты синтезируются разными путями;
3) в синтезе участвуют специальные ферменты.
Вторичные метаболиты синтезируются в цитозоле, эндоплазматическом ретикулуме, хлоропластах.
5.5. Локализация вторичных метаболитов
Накапливаются в вакуолях (алкалоиды, фенолы, беталаины, цианогенные гликозиды, глюкозинолаты), в периплазматическом пространстве (фенолы). Изопреноиды после синтеза выходят из клетки.
Вторичные метаболиты редко распространены в тканях равномерно. Часто они накапливаются в идиобластах, млечниках, специальных каналах и ходах.
Идиобласты (от греч. Idios своеобразный) – одиночные клетки, относящиеся к выделительным тканям и отличающиеся от соседних клеток формой, строением. Находятся они в эпидерме стеблей или листьев (только в эпидерме?).
Места синтеза и локализации часто разделены. Например, никотин синтезируется в корнях, а накапливается в листьях.
Вторичные метаболиты выделяются во внешнюю среду с помощью выделительных тканей ( железистых клеток, железистых волосков – трихом).
Для алкалоидов выделение нехарактерно.
Синтез и накопление в тканях вторичных метаболитов зависит главным образом от вида растения, иногда от этапа онтогенеза или возраста, от внешних условий. Распределение в тканях зависит от вида растения.
5.6. Функции вторичных метаболитов
В процессе открытия вторичных метаболитов существовали разные мнения об их значении в жизни растения. Их считали ненужными, отбросами, (их синтез) тупиком метаболизма, продуктами детоксикации ядовитых первичных метаболитов, например свободных аминокислот.
В настоящее время уже известны многие функции этих соединений, например запасающая, защитная. Алкалоиды - это запас азота для клеток, фенольные соединения могут быть дыхательным субстратом. Вторичные метаболиты защищают растения от биопатогенов. Эфирные масла, представляющие собой смесь вторичных метаболитов, обладают антимикробными и антифунгицидными свойствами. Некоторые вторичные метаболиты, распадаясь при гидролизе, образуют яд – синильную кислоту, кумарин. Вторичными метаболитами являются фитоалексины, вещества, образующиеся в ответ на инфекцию и участвующие в реакции сверхчувствительности.
Антоцианы, каротиноиды, беталаины, обеспечивающие окраску цветков и плодов, способствуют размножению растений и распространению семян.
Вторичные метаболиты останавливают прорастание семян конкурирующих видов.
Литература:
1. Мерсер Э. Введение в биохимию растений. Т. 2. – М. «Мир»,1986.
2. (ред.). Физиология растений. – М. «Академия», 2005. С. 588 – 619.
3. Харборн дж. Введение в экологическую биохимию. – М. «Мир», 1985.
4. Л. Биохимия растений. – М. «Высшая школа», 1986. С. 312 – 358.
5. , -И. Физиология древесных растений. – М. «Лесная промышленность», 1974. 421 с.
6. Л. Биохимия растений. – М. ВШ. 1986. 502 с.
