В цикле Кальвина — Бенсона образуется, как уже отмечалось выше, фруктозо-6-фосфат (F-6-P). Этот гексозофосфат может под действием специфических ферментов превращаться в другие фосфорилированные гексозы, а именно в глюкозо-6-фос- фат (G-6-P) и глюкозо-1-фосфат (G-1-P). Легко происходит и обратное превращение.

F-6-P т—г. G-6-P 4=fc G-1-P.

Из этих трех гексозофосфатов строятся затем цепи углеводных молекул, используемых для транспорта, хранения и в реакциях синтеза. Чтобы такие превращения могли произойти, гек- созофосфаты предварительно должны быть активиров-аны. Это обычно достигается в результате их присоединения к нуклеоти- дам — сложным кольцевым структурам, сходным с адениловой кислотой АТР. Продуктом такой реакции присоединения оказываются нуклеотидные производные моносахаридов, или нуклео- тидсахара. Чаще других встречаются уридиндифосфоглюкоза (UDPG), образующаяся в реакции между уридинтрифосфатом (UTP) и глюкозо-1-фосфатом (G-l-Р). Сам UTP образуется непрямым путем, в результате переноса фосфатной группы от АТР к UDP (уридиндифосфату).

Нуклеотиды АТР и UTP присутствуют во всех клетках, потому что они используются наряду с другими нуклеотидами в синтезе ДНК и РНК.

Равновесие этой реакции сильно сдвинуто в сторону синтеза сахарозы, чем обеспечивается возможность накопления данного дисахарида в значительных концентрациях. Для последующего использования сахароза должна предварительно подвергнуться расщеплению: фермент инвертаза катализирует ее гидролиз с образованием свободной глюкозы и фруктозы.

Энергия гликозидной связи в такой реакции растрачивается впустую, распределяясь между двумя молекулами. Поэтому если глюкозе и фруктозе предстоит распад в процессе дыхания или участие (в качестве сырья) в синтезе полисахаридов, то они

должны предварительно вновь подвергнуться фосфорилирова- нию за счет АТР. Процессы синтеза и распада сахарозы наглядно показывают, что часто анаболические и катаболические реакции (реакции синтеза и распада) идут по разным путям.

Синтез крахмала и целлюлозы

Длинные полимерные цепи крахмала и целлюлозы построены из одних и тех же элементарных звеньев — остатков глюкозы, толькр соединенных по-разному. Это структурное различие обусловливает то, что два рассматриваемых полимера глю* козы (глюканы) существенно различаются по своей природе; крахмал, например, легко переваривается в организме человека, а целлюлоза совсем не переваривается. Главное же их различие состоит в том, что 1-й и 4-й углеродные атомы двух соседних остатков глюкозы соединены у крахмала а-связями, а у целлюлозы р-связями ( 5.3). Крахмал представлен двумя формами: линейным полимером, или амилозой, не содержащим никаких других связей, кроме а-1,4-гликозидных, и разветвленным полимером, или амилопектином, в котором наряду с а-1,4-гли- козидными связями имеются и 1,6-связи. Различие в характере связей определяет и неодинаковое пространственное расположение полимерных цепей. Крахмал — главный запасной полисахарид растения. Он нерастворим в воде и отлагается слой за слоем в крахмальных зернах, содержащихся в хлоропластах (см.  2.20) или в лишенных хлорофилла лейкопластах запасающих тканей стебля, корней и семян. Иногда клетки запасаю» щей ткани оказываются буквально забиты крахмальными зернами, которые легко в них выявить, поскольку они способны окрашиваться иодом в синий цвет. Будучи нерастворим в воде, крахмал в отличие от сахарозы и от гексоз не вызывает в клетках осмотического эффекта (см. гл. 6). Поэтому образование крахмала в клетках листа в периоды интенсивного фотосинтеза предотвращает подавление последнего, происходящее в результате накопления продуктов фотосинтеза. В темноте крахмал постепенно снова гидролизуется с образованием глюкозофосфата, который затем превращается в сахарозу, транспортируемую в другие части растения.

При низком содержании сахарозы крахмал расщепляется и, переводится в сахарозу. Однако сначала он расщепляется до. остатков глюкозы и к каждому из них присоединяется остаток, фосфорной кислоты, т. е. образуется G-1-P, чем обеспечивается, сохранение энергии связи

Б. Целлюлоза, главный- компонент первичной клеточной стенки, существует в виде длинных полимерны цепей. Цепи объединяются в мицеллярные тяжи, а последние — в микрофибриллы. Микрофибриллы, достаточно крупные для того, чтобы их можно было рассмотреть при помощи электронного микроскопа, составляют «основу» и> «уток» клеточной стенки.

других органах, в которых одновременно идет расщепление «больших количеств крахмала, он распадается до дисахарида мальтозы (G-G) под действием а-амилазы. Мальтоза затем распадается до глюкозы, из которой (для транспорта) вновь синтезируется сахароза. На этом втором пути в отличие от первого энергия связи не сохраняется, поэтому здесь для превращения глюкозы в глюкозо-6-Р требуется АТР.

Целлюлоза, самый распространенный на Земле углевод, служит главным компонентом первичной клеточной стенки. Молекулы ее строятся подобно тому, как строятся молекулы крахмала, с тем, однако, отличием, что роль донора глюкозы играет другое нуклеотидное производное моносахарида — гуанозин- дифосфоглюкоза (GDPG) — и что связь между мономерными .звеньями принадлежит не к а-, а к 0-типу.

В некоторых случаях донором глюкозы для синтеза целлюлозы может быть и UDPG.

В организме высших растений целлюлоза расщепляется ред- «о (если не считать распада, обусловленного деятельностью микробов). Два известных исключения из этого правила касаются клеток в отделительной зоне листа, образующейся перед •сбрасыванием листьев, и сосудов ксилемы, у которых поперечине стенки растворяются. В отделительной зоне листа фермент целлюлаза разрушает клеточные стенки, расщепляя содержащуюся в них целлюлозу до отдельных мономерных единиц, т. е. до глюкозы. Клеточные стенки, ослабленные этим процессом, в конце концов разрываются, и лист сбрасывается.

Целлюлозные микрофибриллы в клеточной стенке скреплены при помощи матрикса из смешанных полисахаридных цепей, главным образом ксилоглюканов и арабиногалактанов (см. фис. 2.31). (Ксилоза и арабиноза — пятиуглеродные сахара (пен- тозы), а галактоза — гексоза, родственная глюкозе.) Эти полисахариды синтезируются также из предшественников, нуклео- тидсахаров, преимущественно в диктиосомах. Отшнуровываю- щиеся от диктиосом пузырьки в конце концов сливаются с плаз- малеммой и таким путем передают свое содержимое формирующейся клеточной стенке.

Итак, все полисахариды легко переходят один в другой, но синтез их всегда идет через стадию нуклеотидсахаров, тогда как распад совершается более прямым путем.

ДЫХАНИЕ

В процессе дыхания, при котором углеводы окисляются до С02 и Н20, энергия, запасенная в молекулах углеводов, высвобождается для использования ее в эндергонических реакциях клетки (реакциях, идущих с затратой энергии; см.  5.1). Одновременно многие образующиеся при этом промежуточные продукты используются в качестве строительных блоков для синтеза различных других соединений, необходимых клетке.

Окисление гексозы до С02 и Н20 совершается не в один прием, а состоит из ряда ферментативных реакций с участием разных клеточных органелл ( 5.4). Преобразование энергии происходит на нескольких таких этапах еще до того, как в конечном счете из ADP и Pi образуется АТР. При полном окислении одной молекулы гексозы образуется 38 молекул АТР.

Гликолиз

Различают три стадии процесса дыхания. Первая из них — последовательность реакций, протекающих в анаэробных условиях, — носит название гликолиза или пути Эмбдена — Мейер- гофа — Парнаса (ЭМП). Эта стадия происходит в цитоплазме,, где гексозы расщепляются и частично окисляются с образованием пировиноградной кислоты (трехуглеродная органическая кислота, обычно рассматриваемая в ионизированной форме, т. е. в форме пируват-иона). Поскольку гексозы — относительно стабильные соединения, на активацию начальных реакций гликолиза должна затрачиваться метаболическая энергия. Две молекулы АТР расходуются на превращение гексозы в гексозоди- фосфат; затем фосфорилированная гексоза расщепляется с образованием двух триозофосфатов, которые в серии промежуточных реакций окисляются до пирувата. В этих последних реакциях образуются четыре молекулы АТР, так что суммарный результат гликолиза сводится к синтезу двух молекул АТР. Помимо непосредственного образования АТР в процессе гликолиза, АТР образуется еще и благодаря тому, что часть высвобождаемой при гликолизе энергии расходуется на восстановление кофактора никотинамидадениндинуклеотида, который при этом переходит из окисленной формы (NAD+)  в восстановленную (NADH). Позже эта энергия (в виде NADH) используется для синтеза АТР при окислительном фосфорилировании в цепи переноса электронов.

В присутствии кислорода образовавшийся во время гликолиза пируват используется во второй стадии дыхания, в которой он окисляется до С02 и НгО с образованием новых молекул АТР. В отсутствие кислорода пируват вступает в реакции, последовательность которых носит название брожения ( 5.5); при брожении существенного дополнительного синтеза АТР не происходит. На плохо дренированных почвах недостаток кислорода— обычная проблема; когда почва заболочена, уровень кислорода в ней ниже оптимума. При этом в корневых клетках ограничено аэробное дыхание и соответственно ограничен синтез АТР. А так как поглощение минеральных веществ из почвы связано с расходованием АТР, у растений, произрастающих на плохо дренированных почвах, часто обнаруживаются симптомы резкой недостаточности тех или иных минеральных элементов (см. гл. 7).

Цикл Кребса

Ферменты, катализирующие окисление пирувата до СОг, находятся во внутреннем компартменте митохондрий ( 5.6). Ферменты же, окисляющие (с одновременным образованием АТР и НгО) продукты этого процесса, восстановленные кофакторы, локализуются на внутренней стороне митохондриальной мембраны. Пируват сначала расщепляется, теряя С02 (декар- боксилируется), и образовавшийся ацетат (двууглеродный фрагмент) присоединяется к веществу, называемому кофермен- томА (СоА). Продукт этой реакции присоединения, ацетил-СоА, вовлекается непосредственно в цикл трикарбоновых кислот, или цикл Кребса, составляющий вторую из трех стадий процесса дыхания ( 5.7). Сначала двууглеродный фрагмент переносится от ацетил-СоА к четырехуглеродной органической кислоте, играющей роль «акцептора» этого двууглеродного фрагмента. В результате образуется шестиуглеродное соединение — лимонная кислота. Это шестиуглеродное соединение, подвергаясь ряду последовательных превращений, во время которых оно отдает сначала один атом углерода, а затем второй, расщепляется снова до четырехуглеродного соединения. Таким образом два атома углерода, вовлеченные в цикл в виде ацетильной группы, высвобождаются в форме С02.

На некоторых этапах этих превращений высвобождается энергия. Она либо используется непосредственно для синтеза АТР в соответствующих связанных с мембраной системах, либо расходуется на восстановление растворимых переносчиков дыхательной цепи. К числу таких переносчиков относятся NAD+, восстанавливаемый в NADH, и флавинадениндинуклеотид (FAD), восстанавливаемый в FADH2. При этих реакциях восстановления протон и электрон поступают от одного и того же атома водорода в молекуле субстрата. В других точках цепи переноса электронов восстановление осуществляется путем переноса одних только электронов. Протон (Н+) при необходимости или поступает из водной клеточной среды, в которой всегда имеется избыток протонов, или, наоборот, переходит в нее.

Суммарный результат цикла Кребса сводится, следовательно, к тому, что каждая ацетильная группа (двууглеродный фрагмент), образовавшаяся из пирувата (трехуглеродного соединения), расщепляется до СОг. Во время этого процесса восстанавливаются определенные переносчики электронов (NAD"'1' и FAD) и синтезируется также некоторое количество АТР..

Окислительное фосфорилироеание

Ни в одной из рассмотренных выше реакций молекулярный кислород не участвует, а между тем, как известно, потребление кислорода — характернейшая черта процесса, который мы называем дыханием. Потребность в кислороде возникает вследствие того, что значительная доля энергии, находившейся ранее в гексозе, содержится теперь в восстановленных переносчиках NADH и FADH2, из которых она должна высвободиться в третьей стадии дыхания, когда эти переносчики вновь окислятся, передав свои электроны свободному кислороду. Поскольку в упомянутых переносчиках (NADH и FADH2) заключено довольно большое количество энергии, высвобождаться она должна опять-таки постепенно, путем передачи электрона от этих кофакторов целому ряду переносчиков, связанных с белками и определенным образом ориентированных в пространстве в составе цепи переноса электронов. Каждый такой переносчик находится на несколько более низком уровне восстановлениости, чем его предшественник, и в соответствии с этим содержит меньше энергии. Конечным акцептором электрона служит молекулярный кислород, который вместе с протоном, поступившим и» окружающей водной среды, образует новую молекулу воды

Цепь переноса электронов состоит из ряда переносчиков, которые могут находиться либо в восстановленном, либо в окисленном состоянии ( 5.8). Эти переносчики представляют собой ферменты, для которых коферментами служат различные производные витаминов. Расположены переносчики на внутренней мембране митохондрий (см.  2.19 и 5.6), подобно тому как локализованы на тилакоидах хлоропластов переносчики электронов, действующие при фотосинтезе. Завершают цепь переноса электронов гемсодержащие цитохромы, в которых поступающие к ним электроны восстанавливают железо, переводя

его из окисной формы (Fe3+) в закисную (Fe2+); от цитохро- мов электроны переходят на кислород. На нескольких этапах в цепи переноса электронов энергия высвобождается и используется для синтеза АТР из ADP и неорганического фосфата (см.  5.8). На каждую молекулу NADH, передающую свои электроны в цепь переноса электронов, синтезируются, как полагают, три молекулы АТР, а на каждую молекулу FADHz — две. Поскольку АТР образуется в результате окисления каждого предшествующего переносчика н электроны в конце концов переходят на кислород, процесс этот получил название окисли- тельного фосфорилирования. Сложность всех этих реакций делает понятной необходимость соответствующей сложной структуры митохондрий. Каждый фермент должен располагаться таким образом, чтобы он мог принять определенный субстрат и передать готовый продукт следующему ферменту в том же ряду. Нарушение в любой точке цепи переноса электронов полностью блокирует транспорт электронов. Известно, например, что такие дыхательные яды, как цианид и окись углерода, осуществляют свое действие, соединяясь с железом цитохромов, в результате чего становится невозможным переход Fe3+ в Fe2+. Клетка при этом может погибнуть, если в ней не существует какого-нибудь другого пути, по которому электроны могли бы переноситься на кислород.

В каждом обороте цикла Кребса три молекулы NAD+ восстанавливаются в NADH. Затем NADH отдает пару электронов, которые перемещаются по цепи переносчиков н в конце концов присоединяются к кислороду. В процессе этого переноса электроны трижды пересекают мембрану митохондрии и при каждом таком переходе через мембрану переносят пару протонов из внутреннего ком- партмента митохондрии в межмембранное пространство. В результате этого между двумя сторонами мембраны возникает значительный градиент рН, вследствие чего протоны возвращаются обратно во внутренний компартмент, диффундируя по каналам, имеющимся в грибовидных выростах (их называют также фактором сопряжения). Энергия этого градиента используется для образования АТР из ADP и Pi. Реакция катализируется АТР-азой, присутствующей в факторе сопряжения.

Грибовидный вырост (фактор сопряжения)

Для дыхания, так же как и для фотосинтеза (см. гл. 4), хеми- осмотическая теория предлагает стройное объяснение, позволяющее понять, каким образом энергия, получаемая от переноса электронов по цепи переносчиков, сопрягается с синтезом АТР ( 5.9). Переносчики электронов расположены асимметрично на внутренней мембране митохондрии (см.  2.18). Некоторые из них переносят не только электроны, но и протоны, вследствие чего между двумя сторонами внутренней мембраны митохондрии возникает градиент концентрации протонов; дело обстоит здесь так же, как и на мембране тилакоидов (см.  4.13), с той разницей, что протоны транспортируются изнутри наружу, так что с внутренней стороны митохондриальная мембрана оказывается более щелочной, а с наружной — более кислой (см.  5.9). Перенос каждой пары электронов по цепи

переносчиков от NADH к 7г02 приводит к переходу через ми- тохондриальную мембрану шести ионов Н+. Этот значительный градиент рН между двумя сторонами мембраны представляет собой, так же как и при фотосинтезе, потенциальный источник энергии. Энергия, выделяющаяся при обратном движении протонов, т. е. при их перемещении в митохондрию по особым каналам в грибовидных выростах (см.  2.18), расходуется прк участии фактора сопряжения на синтез АТР из ADP и Pi.

Образование строительных блоков

Независимо от того, как именно идет расщепление углеводов — путем гликолиза или по пентозофосфатному пути, — промежуточные продукты этого расщепления с разным числом углеродных единиц часто используются еще до полного окисления" субстрата, т. е. до его превращения в С02 и Н20 ( 5.10).. В отсутствие кислорода пировиноградная кислота может восстанавливаться в молочную кислоту или через ацетальдегид — в этанол (см.  5.5).

Образующиеся в цикле Кребса органические кислоты могутт присоединять аммиак путем прямого аминирования или пере- аминирования и превращаться в аминокислоты, а затем в конечном счете включаться в белок (см.  5.10). Из аминокислот получаются также фенолы, флавоноиды, антоцианы, лигнинг и все прочие соединения, путь образования которых начинается с дезаминирования аминокислоты фенилаланина. Различные алкалоиды и растительный гормон ауксин (индолил-3-уксусная кислота) синтезируются из аминокислоты триптофана. Аце- тил-СоА, образующийся из пирувата, служит важным исходным продуктом для синтеза многих соединений, таких, как жирные кислоты, входящие в состав липидов (см. ниже); полимеры изопрена (С5Н8), например каучук; летучие терпены; стероиды; и, наконец, некоторые гормоны — гиббереллин, абсцизовая кислота и часть гормона цитокинина. В гл. 15 мы рассмотрим н {некоторые другие изопреноидные соединения.

Итак, две главные функции дыхания — это высвобождение энергии, используемой в процессах метаболизма, и образование строительных блоков, из которых в клетке синтезируются многие другие соединения.

Определив дыхательный коэффициент данной ткани экспериментальным путем, т. е. параллельно измерив изменения в содержании СОг и Ог, можно получить представление о степени -окисления расщепляемых соединений. Следует, однако, учесть, что подобные определения могут вести и к неверным выводам, если природа дыхательного процесса не вполне ясна. Известно, «например, что частичное окисление Сахаров до пировиноградной жислоты совершается с поглощением кислорода, но без выделения СО2, тогда как при последующем декарбоксилировании, ведущем к образованию ацетил-СоА, используемого для синтеза жирных кислот, С02 выделяется, но одновременного поглощения Ог не происходит. Ясно таким образом, что определение дыхательного коэффициента позволяет нам судить о природе окисляемого субстрата только в том случае, если этот субстрат юкисляется полностью — до СОг и НгО.