Влияние экзогенных трех- и шестиуглеродных углеводов на биосинтез аскорби-новой кислоты в проростках ячменя
Влияние экзогенных трех- и шестиуглеродных углеводов на биосинтез аскорби-новой кислоты в проростках ячменя
Влияние
экзогенных трех- и шестиуглеродных углеводов на биосинтез аскорбиновой кислоты
в проростках ячменя
Г.Н. Чупахина, А.В.
Добычина, Н.Ю. Чупахина, И.Е. Ломова
(Калининградский государственный университет, Московская Академия химического
машиностроения)
Химизм
биосинтеза аскорбиновой кислоты (АК) в растениях до сих пор не достаточно ясен.
Известно, что новообразование АК стимулируют гексозы, из которых предпочтение
отдается галактозе [1, с. 271]. Метаболизм гексоз в АК может идти или через
образование промежуточных триоз, или без разрыва углеродного скелета исходной
молекулы углевода. Во втором случае ряд исследователей (2) допускает
возможность инверсии углеродной цепи, другие [3] отрицают ее наличие.
Необходимость образования триоз из исходных гексоз при биосинтезе АК нами
проверялась в опытах с использованием экзогенного диоксиацетона в качестве
субстрата для АК. Действие диоксиацетона сравнивалось с С6-субстратами -
глюкозой и галактозой.
Объект
и методы исследования
В
качестве объектов исследования использовались 6-дневные зеленые, этиолированные
и альбиносные проростки ячменя ярового (Hordeum vulgare L.) сорта Роланд.
Альбиносные проростки получали из обработанных 0,25% раствором стрептомицина
семян. Проростки выращивали при естественном освещении и комнатной температуре.
Содержание аскорбиновой кислоты и ее дериватов - дегидроаскорбиновой кислоты
(ДАК) и дикетогулоновой (ДКГК) - определяли колориметрически [4, с. 17].
Диоксиацетон, используемый в опытах, был получен методом биотрансформации
глицерина с помощью Gluconobacter oxydans [5]. Освещение проростков в опытах
проводилось в установке “Флора” с люминесцентными лампами ЛДЦ-40. Интенсивность
света равнялась 33 тыс. эрг см-2 с-1, экспозиция - 24 часа. Опыты выполнялись в
двух биологических повторностях и воспроизводились 2-3 раза. В работе
приводятся средние значения из всех опытов и средние ошибки измерений.
Результаты
и обсуждение
С
целью изучения возможности использования шестиуглеродных соединений (глюкозы,
галактозы) в качестве субстрата в биосинтезе АК использовались листья ячменя с
различной пигментацией: зеленые, этиолированные, альбиносные, с тем чтобы
решить вопрос об источнике используемых углеводов (фотосинтетические или
запасные) и определить зависимость биосинтеза АК из углеводов от энергетических
процессов - фотосинтеза и дыхания.
Масштаб
биосинтетического процесса, ведущего к накоплению АК, характеризует не только
образование восстановленной формы АК, но и ее дериватов, так как наряду с
новообразованием АК идет ее активное использование с образованием ДАК и ДКГК.
Поэтому в опытах по изучению возможности использования С6-углеводов - глюкозы и
галактозы в биосинтезе АК одновременно определялось содержание АК, ДАК и ДКГК.
Как
видно из рисунка, при освещении листьев ячменя, находящегося на воде и 1%
растворах глюкозы и галактозы, уровень восстановленной формы АК повышался по
сравнению с исходным содержанием во всех вариантах, но превышение контрольного
значения (листья на воде) отмечено только при использовании в качестве
субстрата глюкозы.
Освещение
зеленых листьев ячменя привело к снижению уровня дегидроаскорбиновой кислоты по
сравнению с исходным содержанием только в контроле; в листьях, находящихся на
растворах углеводов, содержание ДАК превзошло и контрольное и исходное
содержание. Следовательно, дополнительное снабжение листьев шестиуглеродными
углеводами активизировало использование восстановленной формы АК, причем в
равной мере и в опыте с глюкозой, и с галактозой.
Дальнейшая
метаболизация ДАК с образованием ДКГК активнее была в листьях, находящихся на
1% растворе глюкозы по сравнению с галактозой.
Таким
образом, С6-углеводы (глюкоза и галактоза) стимулируют накопление АК в листьях
ячменя на свету. Причем глюкоза активизирует образование и восстановленной и
окисленной формы АК, галактоза - только дегидроформы.
В
этиолированных листьях (рис. 2) свет активно стимулировал накопление АК и в
листьях, находящихся на воде, и особенно в листьях, помещенных в 1% растворы
глюкозы и галактозы. Однако стимуляция биосинтеза АК глюкозой была выше, чем
галактозой.
Уровень
окисленной формы АК, а также продукта ее необратимого окисления - ДКГК при
освещении этиолированных листьев снизился по сравнению с исходным, что говорит
о пониженном использовании АК в этиолянтах. Возможно, это и является одной из
причин более активного накопления восстановленной формы АК в этиолированных
проростках на свету по сравнению с зелеными.
Еще
в большей степени, чем в этиолированных проростках, блокированы процессы,
связанные с функционированием фотосинтетического аппарата, однако у альбиносов
их реакция на освещение была ближе к зеленым проросткам, чем к этиолированным
(рис. 3). Исходный уровень АК в зеленых проростках был выше, чем в альбиносных,
но характер изменения содержания АК и в контрольных листьях (на воде), и в
листьях, находящихся в растворах углеводов, был одинаковым: свет стимулировал
повышение уровня АК во всех вариантах, но превышение контрольного значения было
отмечено только на глюкозе. У альбиносных проростков, так же, как и у
этиолированных и зеленых, содержание ДАК на свету повысилось по сравнению с
контрольным значением в присутствии экзогенных углеводов, особенно галактозы.
Содержание ДКГК при этом не превышало контрольный уровень.
Таким
образом, анализ реакции на освещение листьев ячменя, находящихся на 1% растворе
глюкозы и галактозы, показывает, что глюкоза стимулирует накопление
восстановленной формы АК и в зеленых, и в разной степени депигментированных
проростках. Активация биосинтеза АК галактозой имела место только у этиолянтов.
Свет
понижал уровень ДАК у всех типов проростков. Добавление экзогенных углеводов
стимулировало накопление окисленной формы АК и мало отражалось на содержании
ДКГК.
Учитывая
масштаб накопления АК и ДАК в присутствии экзогенных углеводов, можно сделать
вывод о том, что в проростках ячменя экзогенная глюкоза в большей степени
стимулирует биосинтез АК и АК+ДАК, чем галактоза.
В
опытах по выяснению возможности использования в качестве субстрата в биосинтезе
АК трехуглеродных углеводов использовался диоксиацетон. Зеленые, этиолированные
и альбиносные листья ячменя основанием помещались в 1% раствор диоксиацетона, и
его действие сравнивалось с контролем (листья на воде) и с 1% глюкозой,
стимуляция биосинтеза АК которой показана в предыдущих исследованиях (рис.1-3).
В
опытах с зелеными листьями было показано (рис. 4), что в присутствии 1%
диоксиацетона на свету начинается необыкновенно активный синтез - сверхсинтез
АК: содержание АК повысилось по сравнению с контрольным в 12 раз и по сравнению
с глюкозой - в 9 раз. Наряду с резким возрастанием уровня восстановленной формы
АК, шло активное накопление окисленной формы и ДКГК.
Аналогичный
феномен выявлен и у этиолированных проростков, у которых в присутствии
диоксиацетона в 16 раз увеличилось содержание АК по сравнению с контролем, в 9
раз повысился уровень ДАК и в 11 раз - ДКГК (рис. 5).
Несколько
меньшее увеличение уровня АК, ДАК и ДКГК под действием диоксиацетона
наблюдалось у альбиносных проростков, но и в этом случае уровень АК превосходил
контрольный в 4 раза, ДАК - в 12 раз, ДКГК - более чем в 8 раз, тогда как в
варианте, где в качестве субстрата использовалась глюкоза, эти цифры были
соответственно: 1,2; 1,2 и 1 (рис. 6).
Из
сравнения действия диоксиацетона, глюкозы и галактозы на биосинтез АК в
проростках ячменя, отчетливо видно преимущественное использование
трехуглеродного углевода по сравнению с шестиуглеродными, что дает основание
поддерживать мнение о том, что биосинтез АК из углеводов предполагает на
определенном этапе разрыв исходной гексозы на триозы. Но поскольку диоксиацетон
в опытах стимулировал активное накопление не только восстановленной формы АК,
но и продуктов ее окисления - ДАК, ДКГК - можно считать, что в его присутствии
начинается быстрое использование АК. Такое явление может иметь место тогда,
когда растения находятся в неблагоприятных условиях и активное новообразование
и использование АК является ответной реакцией на стресс [6, с.21]. Поэтому при
оценке роли диоксиацетона как субстрата в биосинтезе АК, вероятно, нельзя не
учитывать и возможное негативное воздействие самого диоксиацетона в 1%
концентрации на растения.
Использование
углеводов экзогенного и эндогенного пула в растениях идет не одинаково [7].
Учитывая наши данные по влиянию экзогенной глюкозы и галактозы на биосинтез АК
в проростках ячменя, можно сделать вывод о том, что глюкоза экзогенного пула
может использоваться в биосинтезе АК зелеными, этиолированными и альбиносными
проростками. Преимущественного использования галактозы в биосинтезе АК, как
указывается в литературе [1], в наших опытах не выявлено.
Стимулирующее
действие экзогенной глюкозы и диоксиацетона на биосинтез АК не связано с
фотосинтетическим процессом, так как оно наблюдалось не только в зеленых
проростках, но и в депигментированных.
Таким
образом, экзогенный диоксиацетон в 1% концентрации вызывает активное накопление
АК, ДАК и ДКГК в листьях ячменя с различной пигментацией, значительно
превосходящее данный процесс в листьях, обеспеченных глюкозой, что поддерживает
мнение о том, что биосинтез АК из гексоз включает этап образования триоз.
Сравнительный анализ действия глюкозы и галактозы на биосинтез АК показывает
преимущественное использование в данном процессе глюкозы.
Список
литературы
1.
Гудвин Т., Мерсер Э. Введение в биохимию растений. М.: Мир, 1986. Т.1. С.392.
2. Isherwood F.A., Chen Y.T., Mapson
L.W. Synthesis of l-ascorbic acid in plants and animals // Biochem. Journ.
1954. Vol. 56. N 1. P.11-15.
3. Loewus F.A., j. P.F.G. Hesper.
Metabolism l-ascorbic acid in plants // American chemican society. Washington,
1982. P.249-261.
4.
Чупахина Г.Н. Количественное определение АК, ДАК и ДКГК в растительных тканях
// Специальный практикум по биохимии и физиологии растений. Калининград, 1981.
37 с.
5.
Еронин В.А., Кустова Н.А., Махоткина Г.А., Ломова И.Е., Николаев П.И. Способ
получения диоксиацетона: А.с. № 1218687 // БИ. 1985. № 24.
6.
Чупахина Г.Н. Светозависимые изменения системы АК растений: Дис. ... д-ра биол.
наук. СПб., 1992. 48 с.
7.
Щугаева Н.А., Выскребенцева Э.И. Принципиальные различия окислительного
метаболизма экзогенного и эндогенного сахара // Физиология растений. 1985. Т.
32. Вып. 6. С.1188-1196.
Для подготовки
данной работы были использованы материалы с сайта http://elib.albertina.ru
|