Лекция 6 Биосинтез пигментов
Вопросы Биосинтез хлорофилла. 2. Биосинтез каротиноидов. 1.
Биосинтез хлорофилла Многоступенчатый процесс, который делят на 2 фазы: темновую и световую. В темноте - синтез протохлорофиллида (отличается от хлорофилла отсутствием остатка фитола и 2 атомов Н). На свету протохлорофиллид присоединяет 2 атома Н к 7 и 8 углеродным атомам и образует хлорофиллид. К хлорофиллиду присоединяется (фермент хлорофиллаза) фитол образуется хлорофилл - идет в темноте.
Этапы биосинтеза хлорофилла: 2 молекулы Глутаминовая к-та → δ-Аминолевулиновая к-та → 4 молекулы т Порфобилиноген → Ферменты е Уропорфириноген I и III → биосинтеза копропорфириноген III → м хлорофилла локализованы протопорфириноген IХ → н Mg в хлоропластах протопорфирин IХ → о Mg-протопорфирин IХ → т метиловый эфир а Mg-протопорфирина → протохлорофиллид → с протохлорофиллид голохром → в е хлорофиллид а голохром → фитол т хлорофиллид а → хлорофилл
порфиринов является сукцинил Со-А (из лимоннокислого цикла) и глицин, из них образуется δ -аминолевулиновая кислота (АЛК). Этот путь характерен для микроорганизмов и животных. Реакция идет с участием фермента – АЛК-синтаза
1 стадия – полагают, что АЛК в хлоропластах образуется другим путем, вероятнее всего, из интактной молекулы глутамата. Фермент, катализирующий реакцию, удалось выделить из пластид в чистом виде недавно; реакция представляет собой новый внутримолекулярный перенос аминогруппы
1 стадия –уточнили, что δ-аминолевулиновая кислота образуется из С 5 -дикарбоновых кислот: глутаминовая кислота через 2 -гидрооксиглутаровую преобразуется в 4, 5 -диоксивалериановую, которая затем амминируется за счет аланина и других кислот. выраженное разветвление путей биосинтеза гема у животных и высших растений происходит, вероятно, на ключевой стадии биосинтетического пути – образовании АЛК.
2 стадия – образование первичного пиррола: 2 молекулы δ-АЛК → порфобилиноген; превращаются в присутствии фермента АЛК-дегидратазы. Порфобилиноген – первый предшественник металлопорфиринов, имеющий пиррольную природу. АЛК-дегидратаза
3 стадия – образование циклического тетрапиррола. 4 молекулы порфобилиногена превращаются в уропорфиноген I, а затем уропорфиноген III: уропорфиногенсинтаза тетрапиррол уропорфиногенизомераза (косинтаза) уропорфириноген III
4 стадия происходит отщепление 4 СО 2 от остатков СН 2 СООН → СН 3 в положениях 1, 3, 5, 8 молекулы уропорфириногена с участием фермента уропорфириногендекарбоксилазы и образуется копропорфириноген:
5 стадия – копропорфиноген превращается в протопорфириноген IХ за счет окислительного декарбоксилирования в 2 и 4 положениях: –СН 2–СООН + ½ О 2 → СН 2 = СН 2 + СО 2 + Н 2 О
6 стадия –в результате реакции дегидрирования, при которой отщепляются 6 Н+ из протопорфириногена IХ образуется протопорфирин:
7 стадия – происходит включение Mg (NН → N) и образуется Mgпротопорфирин IХ. Mg
Вероятно, на стадии образования протопорфирина IХ происходит также разветвление путей биосинтеза а атаз л рохе ф ер о бразование железопорфиринов (гем) о бразование магнийпорфиринов (хлорофиллов). В растениях обнаружены оба пути, у животных – только первый. В биосинтезе железосодержащих порфиринов участвует фермент феррохелатаза, который выделен как из пластид, так и митохондрий растений - фермент эффективно преобразует протопорфирин в протогем (гем b), который входит в состав цитохромов, каталазы, пероксидазы и гемоглобина. Химически встроить Mg 2+ в протопорфирины намного труднее, чем Fe 2+. Какой фермент катализирует включение Mg 2+ в молекулу протопорфирина пока неизвестно.
8 стадия – превращение Mg-протопорфирина IХ в монометиловый эфир Mg-протопорфирина. Происходит этерификация метиловым спиртом. Фермент-S-аденозил-L-метионин-Mg-протопорфирин-метилтрансфераза осуществляет перенос СН 3 в 6 положение от S-аденозил-L-метионина. Далее, окисление пропионата с образованием группы С=О.
9 стадия – образование протохлорофиллида происходит в результате этерификации (этерификация – образование сложных эфиров из кислот и спиртов) карбоксильной группы метанолом, замыканием пятого (фуранового) кольца, окончательным формированием боковых цепей: в 4 положении винильная группа СН=СН 2 восстанавливается до этильной группы С 2 Н 5, получается Mg-винилфеопорфирин а 5 -протохлорофилл (ид). Как и хлорофилл протохлорофиллид находится в связанной с белком форме. С 2 Н 5
hλ 2 H 10 стадия – в результате неферментативной индуцируемой светом реакции восстановления в кольце IV (появляются два атома Н) протохлорофиллид превращается в хлорофиллид (это хлорофилл, в молекуле которого нет терпеноидной – обычно фитольной – боковой цепи). Источник водорода - белок (возможно, НАДФ – донор водорода). Выделен в чистом виде фермент НАДФН – протохлорофиллидоксидоредуктаза. Таким образом, восстановление до хлорофиллида катализируется светом и происходит в пигмент-белковом комплексе, который имеет название протохлорофиллид-голохрома. С 2 Н 5
11 стадия – последняя стадия синтеза хлорофилла – образование сложного эфира хлорофиллида с фитолом, которая происходит в липидной фазе хлоропластов, поскольку фитол не растворяется в воде, с участием фермента хлорофиллазы. Фитол – полиизопреновое соединение синтезируется из ацетил-Со. А через мевалоновую кислоту. С 2 Н 5 л о ит ф Н 2 О
CH 3 H 2 C=CH 2 1 3 I II Mg N H 3 C III 7 6 1 10 V 5 9 COOCH 3 COOC 20 H 39 C Хл в H C 2 H 5 Хл а IV (CH 2)2 4 N N 8 ие O N H 3 C окислен -OC 20 H 39 -остаток спирта фитола -OCH 3 - остаток метилового спирта O CH 3 1, 3, 5, 8 -тетраметил 2 -винил-4 -этил-9 -оксо 10 -метакарбокси 7 -фитилпропионовой кислоты – Mg-комплексный эфир форбин
Синтез хлорофилла зависит от генетических факторов. В результате генных мутаций появляются растения альбиносы, которые живут пока имеют запасные вещества из семян. Пятнистость – результат отсутствия синтеза хлорофилла в некоторых частях листа, что также зависит от генов. Кроме света, синтез хлорофилла зависит и от условий минерального питания. Прежде всего, необходимо Fe, которое выполняет каталитические функции (при недостатке Fe листья желтеют). Большое значение имеет обеспеченность растений N и Mg - эти элементы входят в состав молекулы пигмента. При нехватке Cu хлорофилл легко разрушается.
Этиолированные проростки содержат небольшое количество протохлорофиллид – белкового комплекса (голохром), и при кратковременном освещении в них происходит быстрое стехиометрическое восстановление протохлорофиллида до хлорофиллида, который затем медленно этерифицируется и преобразуется в хлорофилл а. Если проростки затем вновь возвратить в темноту, в них образуется приблизительно такое же количество протохлорофиллида, которое было вначале, и при осветлении он тоже превращается в хлорофиллид. При освещении этиолированных проростков короткими вспышками света (по 10– 4 с), которые чередуются с 10– 15 минутными темновыми промежутками, можно накопить большие количества хлорофилла.
Регуляция биосинтеза порфиринов в развивающихся хлоропластах Стрелки ( процесс ) показывают чем ингибируется АЛК – это субстрат первого основного (решающего) этапа в синтезе тетрапиррола. Это значит, что, вероятно, АЛК лимитирует скорость всего процесса (добавление АЛК к этиолированным проросткам в темноте приводит к увеличению количества протохлорофиллида (ПХД) по меньшей мере в 10 раз). Считают, что протохлорофиллид или другой контролируемый посредник подавляет синтез фермента (или ферментов), действуя на стабильную m. РНК. Поскольку при биосинтезе хлорофилла и биосинтезе гема используется один и тот же накопленный промежуточный продукт, можно думать, что регуляция происходит именно в той точке, где пути биосинтеза расходятся, т. е. на том этапе, на котором атом металла встраивается в молекулу. Вероятно, протохлорофиллид регулирует включение Mg, а так же, как отмечали, синтез
Синтез каротиноидов начинается с ацетил-Cо. А через мевалоновую кислоту, геранилпирофосфат до ликопина. Ликопин (С 40 Н 56) – является предшественником всех других каротиноидов. Синтез идет в темноте, но ускоряется при действии света. Ликопин имеет ациклическую структуру (отсутствие кольца с двух концов молекулы). Циклизация в концах (одного или двух) молекулы ликопина приводит к образованию разных колец (β- и εиононовых). Так образование двух β-иононовых колец (по обоим концам молекулы) приводит к образованию β-каротина. Последовательность превращения каротиноидов следующая: β-каротин (два β-иононовых кольца) → α-каротин (одно β-, другое ε-иононовое) → лютеин (ε-иононовые кольца и ОНгруппа в кольце при С 3); β-каротин → зеаксантин (2 кольца β-иононовые и группа ОН в кольцах) → виолаксантин (два β-иононовых кольца, кроме ОН-групп появляются эпоксигруппы в каждом
Скачать презентацию Лекция 6 Биосинтез пигментов Вопросы Биосинтез хлорофилла
ФЗР_Лекция_6_Сах.ppt