Роль ферментов в системе дыхания растений

      К первой группе ферментов, роль которых  состоит в активации 
и передаче водорода (электрона) дыхательного материала, относятся (дегидразы) дегидрогеназы.

  Эти ферменты характеризуются специфичностью к донору, водорода. 
Схема действия дегидрогеназ заключается в том, 
что активированный ими водород дыхательного материала (АН₂) 
переносится на акцептор (В):

дегидрогеназа 

АН₂ + В >А + ВН₂

Если количество акцептора недостаточно для связывания  всего водорода субстрата, то продолжение реакции возможно лишь при  условии, что наряду с восстановлением акцептора будет идти его регенерация (обратное окисление), что осуществляется с помощью  окислительных ферментов. 

     По характеру действия дегидрогеназы делятся на аэробные и анаэробные. Первые способны переносить водород  непосредственно на молекулярный кислород, вторые — только на какой-либо акцептор, причем роль последнего выполняется обычно какой-либо другой дегидрогеназой . Все дегидрогеназы являются двухкомпонентными ферментами — протеидами,  специфичность которых, как и всёх ферментов вообще, определяется природой белкового  носителя. По природе  простетических    групп дегидрогеназы делятся   на пиридиновые и аллоксазиновые (флавиновые).[5,с78]

    Группа ферментов, функция которых  состоит в активировании кислорода,  также многочисленна. Основная  роль в этой группе принадлежит Fе-протеидам. Это двухкомпонентные системы, простетическая часть которых по своей химической природе является Fе-порфирином. К группе Fе-порфиринов принадлежат также каталаза и пероксидаза, действие которых направлено на превращение перекиси водорода.

  Наряду  с ферментами, содержащими в простетической группе атом Fе, в растительных тканях весьма широко распространены оксидазы, содержащие медь (Сu-протеиды). Представителями этой группы ферментов являются полифенолоксидазы, также а с-корбинатоксидаза (аскорбиноксидаза).

  Полифенолоксидазы (называемые часто фенолоксидазами, фенолазами, катехолоксидазами) — ферменты, которые в присутствии молекулярного кислорода окисляют различные фенолы и их производные с образованием соответствующих хинонов.

  Полифенолы  представляют собой, по существу, одну из форм дыхательных хромогенов, постулированных  теорией Палладина. В окисленном состоянии они служат акцепторами  водорода (электронов). В интактной клетке в условиях нормального дыхания хиноны, возникающие при окислении полифенолов, тотчас же восстанавливаются за счет активируемого дегидрогеназами водорода и тем самым становятся способными вновь акцептировать кислород, затем вновь восстанавливаться и т. д.

  Оксигеназами называются ферменты, активирующие кислород с последующим включением его в молекулу субстрата. В отличие от других групп окислительных ферментов оксигеназы катализируют непосредственное взаимодействие кислородных атомов не с водородом, а с атомами углерода ароматического кольца. Флавиновые же и другие оксидазы восстанавливают молекулу кислорода с образованием перекиси. Существование оксидаз со смешанными функциями служит еще одним убедительным доказательством альтернативности путей активации кислорода.

  В настоящее время все более  упрочивается представление о том, что прямое включение кислорода  в органические молекулы представляет собой один из широко распространенных механизмов биологического окисления.

  Биологическое значение реакций, катализируемых оксигеназами, заключается, в основном, в том, что осуществляемое с их участием гидроксилирование бедных кислородом ароматических соединений повышает растворимость и реакционную способность последних, тем самым способствуя вовлечению этих соединений в общий метаболизм живой клетки.

       Окислительная система растений содержит многочисленную и разнообразную группу промежуточных переносчиков. Наряду с дегидрогеиазами, представляющими собой производные амида никотиновой кислоты, имеются дегидрогеназы, которые по своей химической природе относятся к производным рибофлавина (витамина В₂). Это двухкомпонентные системы, в которых специфический белок (апоэнзим) соединен с растворимым коэнзимом, представляющим собой нуклеотидные производные витамина В₂ (лактофлавин или рибофлавин). Специфика этих энзимов состоит в их способности передавать электроны непосредственно кислороду. Следовательно они функционально близки к оксидазам. Детальное изучение группы флавиновых ферментов показало что она состоит из разнородных компонентов, отличающихся между собой прежде всего по источнику используемого ими водорода. Так, некоторые флавопротеиды способны акцептировать водород непосредственно от окисляемого субстрата, тогда как другие — только от восстановленного НАД. В качестве представителя флавопротеидов первого типа заслуживает большого внимания сукцинатдегидрогеназа. Она строго специфична по отношению к янтарной кислоте, электроны которой она передает затем через систему промежуточных переносчиков.[18, с145]

   Вторая группа флавопротеидов гораздо более многочисленна. Эти дегидрогеназы не способны выполнять роль непосредственных акцепторов электронов дыхательного субстрата, так как могут получать только электроны, предварительно мобилизованные анаэробными дегидрогепазами. Окисляя восстановленные пиридиновые дегидрогеназы, они передают получаемые от последних электроны по цепи в направлении к кислороду. Флавиновые ферменты различаются и в отношении акцепторов, которым они способны передавать полученный водород (электроны). Такими акцепторами могут служить другие дегидрогеназы или окисленный цитохром, или, наконец, кислород. Флавопротеиды, способные переносить электроны на кислород, являются, по существу, настоящими оксидазами (например, глюкозооксидаза, оксидаза  d-аминокислот и др.). В результате действия этих ферментов образуется перекись водорода, кислород которой используется пероксидазой.

    К флавопротеиновым ферментам, содержащим в качестве простетической группы ФМН, относится также оксидаза гликолевой кислоты— специфический фермент, найденный П. А. Колесниковым в зеленых листьях. Из листьев табака Зелитч выделил в кристаллическом виде специфическую редуктазу глиоксилевой кислоты, т. е. соединение, которое образуется при окислении гликолевой кислоты. Восстановление идет при участии НАД:

                                                             оксидаза

СН₂ОНСООН +O₂ -----------»СНОСООН + Н₂0₂

Гликолевая кислота                  Глиоксилевая кислота

                                 редуктаза

CHOCOOH  +НАДН₂«=======» CH₂OHCOOH+ НАД

Глиоксилевая кислота                Гликолевая  кислота                           

       Видно, что система гликолевая кислота - глиоксилевая кислота может функционировать как обратимая окислительно-восстановительная подобно системе фенолы-хиноны. Особо важная роль принадлежит, по-видимому, этой системе в дыхании листьев на свету. Флавинадениндинуклеотид является коэнзимом двух весьма важных ферментов: оксидазы d-аминокислот и глюкозооксидазы.

Оксидаза  d-аминокислот осуществляет окислительное дезаминирование d-аминокислот.

  Глюкозооксидаза осуществляет окисление свободной  глюкозы с образованием глюконовой кислоты. Наличие этой аэробной дегидрогеназы  достоверно установлено у некоторых  плесневых грибов. Не исключено присутствие  фермента в тканях высших растений. Глюкозооксидаза строго специфична к субстрату: она способна окислять только d-глюкозу. В этом отношении она сильно отличается от недавно обнаруженной d-гексозооксидазы, которая способна наряду с d-глюкозой окислять и другие гексозы, а также ряд редуцирующих дисахаридов (мальтоза, лактоза, целлобиоза) с образованием соответствующих альдоиовых кислот. Существуют и другие металлофлавиновые ферменты, в числе которых и открытые в последние годы — углеводоксидаза, гексозооксидаза, алькоголь-оксидаза, ксантиноксидаза, оксалатоксидаза и др.[16, с234]

  Особого внимания заслуживает нитратредуктаза, с участием которой осуществляется важнейший в жизни растений процесс  восстановления окисленного, нитратного азота. (Нитратредуктаза в качестве простетической группы содержит ФАД.)

  Хинонредуктаза  переносит водород от восстановленных  пири-диннуклеотидов (НАДН₂ и НАДФН₂) к соответствующим хинонам, главным образом, нафтохинонам и бензохинонам. Идея о биологической роли хинонов в качестве переносчиков водорода в дыхательном процессе была обоснована работами А. Н. Баха и В. И. Палладина. Таким образом, хинонредуктаза может функционировать в дыхательной цепи сопряженно с пероксидазой и полифенолоксидазой.

  Очень широко распространена в растительных тканях глутатионредуктаза,  простетической группой которой является ФАД. Наибольшая активность глутатионредуктазы наблюдается в тканях проросших семян.

  Большую роль, которую в качестве катализаторов  остаточного дыхания выполняют цитохромы группы b. В настоящее время у высших растений обнаружено около 10 цитохромов b, причем доказано, что каждый из представителей является специфическим гемопротеи-дом.

  В целом цитохромы группы b характеризуются высоким сродством к кислороду. Согласно Чансу они служат связующим звеном между ферментами, осуществляющими быстрые реакции окисления, и флавиновыми энзимами, катализирующими медленно протекающий транспорт электронов.

  Так, из ферментов, локализованных в митохондриях, заслуживает внимания самоокисляющийся  цитохром b₇, активность которого полностью сохраняется в присутствии таких классических ингибиторов железопротеидов, как КСN и СО. Он широко распространен в растениях и, несомненно, играет ключевую роль во всех случаях, когда транспорт электронов через цитохромоксидазу блокирован цианидом. Например, исключительно высокое резистентное дыхание, которое характерно для растений семейства ароидных, обусловлено именно повышенным содержанием в их тканях цитохрома b₇. Большой интерес представляет цитохром b₅, который на 80% состоит из флавопротеида. Он легко восстанавливается многими агентами, в числе которых восстановленный НАД: цитохром b₅-оксидоредуктаза. Этот факт очень важен, так как указывает на прямую связь цитохрома b₅ с окислением пиридиновых дегидрогеназ.

  Результаты  кинетических исследований позволяют  считать, что цитохром b₅ расположен в ЭТЦ дыхания между флавопротеидом и цитохромом Р₄₅₀. Имеются основания считать, что через систему цитохром b₅-редуктазы осуществляется связь дыхательной цепи митохондрий с таковой микросом.

  Цитохром  b₅₅₅, по-видимому, локализован в микросомах, в которых, по последним данным, содержится и цитохром b₃.

  Цитохром  b₃ также связан с окислительно-восстановительными превращениями дегидрогеназ и может взаимодействовать с кислородом.

  Обычным спутником цитохрома b₅₅₅ является цитохром Р₄₅₀, который характеризуется весьма активным участием в реакциях перекисного окисления. В осуществляемом цитохромом Р₄₅₀ транспорте электронов основная роль в качестве центра связывания железа принадлежит SН-группе. Результаты работ последних лет подчеркивают исключительную биологическую роль цитохрома Р₄₅₀. Доказано, что он является обязательным участником практически всех реакций гидроксилирования, протекающих в органоидах микросомальной фракции. С участием цитохрома Р₄₅₀ осуществляются реакции окисления высокомолекулярных углеводородов жирных кислот. Важнейшей функцией этого цитохрома является обезвреживание токсического действия лекарственных и других чуждых организму соединений (барбитураты и их производные, различные гербициды, пестициды, инсектициды и т.п.).

  Действие  цитохрома Р₄₅₀ сопряжено с восстановленным НАДФ, за счет электронов которого происходит восстановление окисленного пигмента. Редуцированный цитохром реагирует с кислородом. В хлоропластах содержатся цитохромы b₆ и f, а также цитохром b₅₅₉, которые являются важнейшими компонентами ЭТЦ фотосинтеза.[8,с 198]

  К ферментным системам, участвующим в  окислительно-восстановительных превращениях дыхательного материала, следует отнести карбоксилазы. Это двухкомпонентные ферменты, активная группа которых представляет собой фосфорный эфир тиамина (витамин В).

  Карбоксилазы  катализируют отщепление СО₂ от различных органических кислот (кетокислоты, аминокислоты и др.), в результате чего образуются соединения с укороченной углеродной цепью. 
 

1.2Механизм действия ферментов

    Механизм действия ферментов объясняет теория активного центра. Согласно ей, в молекуле каждого фермента имеется один или более участков, в которых происходит тесный контакт между молекулами фермента и специфического вещества (субстрата) (рис. 1).

   Активным центром выступает функциональная группа, отдельная аминокислота либо сочетание нескольких (в среднем от 3 до 12), расположенных в определенном порядке аминокислотных остатков. Форма и химическое строение активного центра таковы, что с ним могут связываться только определенные субстраты в силу идеального соответствия их пространственных структур (как ключ и замок). Вокруг крупной молекулы фермента возникает сильное электрическое поле, в котором становится возможной определенная ориентация молекул субстрата и их деформация. Это приводит к ослаблению химических связей, и катализируемая реакция происходит с меньшей начальной затратой энергии, а следовательно, с намного большей скоростью. Например, одна молекула фермента каталазы может расщепить за 1 мин более 5 млн молекул пероксида водорода (Н₂0₂), который возникает при окислении в организме различных соединений.