01Загальна характеристика
У біохімії рослин слід розрізняти два поняття. 20 протеїногенних амінокислот кодуються універсальним генетичним кодом і є мономерами білків у всіх організмах. 9 незамінних — валін, ізолейцин, лейцин, лізин, метіонін, треонін, триптофан, фенілаланін і гістидин — людина й тварини синтезувати не можуть і мусять отримувати з їжею.
Вищі рослини — повні метаболічні автотрофи: вони синтезують усі 20 амінокислот de novo з неорганічних попередників — CO₂ (через цикл Кальвіна), нітрату NO₃⁻ та амонію NH₄⁺ з ґрунту (у бобових ще й N₂ від бульбочкових бактерій) і сульфату SO₄²⁻ для сірковмісних цистеїну й метіоніну. Саме тому рослини — первинне джерело незамінних амінокислот для всієї біосфери.
Будова і стереохімія
Усі протеїногенні амінокислоти мають загальну формулу H₂N–CH(R)–COOH: аміногрупа, карбоксильна група, атом водню й бічний радикал R приєднані до одного α-вуглецевого атома. Виняток — пролін: це імінокислота, його атом азоту замкнений у піролідинове кільце.
У 19 амінокислот (крім гліцину, де R = H) α-вуглець хіральний; треонін та ізолейцин мають ще й другий хіральний центр. У білках — лише L-ізомери. D-амінокислоти рослини теж трапляються: D-серин у пилкових трубках активує глутамат-подібні рецептори GLR, а синтетичні D,L-суміші у високих дозах пригнічують ріст, блокуючи аміноацил-тРНК-синтетази.
Звідки береться азот амінокислот
Поглинутий нітрат у цитозолі відновлюється нітратредуктазою до нітриту, нітрит у пластиді — фередоксин-залежною нітритредуктазою до амонію. Вільний NH₄⁺ токсичний (роз'єднує фотофосфорилювання), тому його миттєво фіксує цикл GS/GOGAT: глутамінсинтетаза приєднує NH₄⁺ до глутамату (за рахунок ATP), а глутаматсинтаза переносить амідну групу на 2-оксоглутарат — виходять дві молекули глутамату. Одна повертається в цикл, друга стає донором аміногрупи для решти амінокислот.
02Класифікація: 20 амінокислот у 5 класах
За полярністю, гідрофобністю та кислотно-основними властивостями бічного радикала R 20 амінокислот ділять на 5 класів. Натисніть на амінокислоту, щоб побачити її паспорт: формулу, константи, родину біосинтезу і роль у рослині.
* — 9 амінокислот, незамінних у раціоні людини й моногастричних тварин; їх синтезують лише автотрофні рослини та мікроорганізми.
03Амфотерність, pI і компартменти клітини
Усі амінокислоти амфотерні: карбоксильна група — слабка кислота (pKa1 ≈ 1,8–2,4), аміногрупа — слабка основа (pKa2 ≈ 8,8–10,6). Через сусідню –NH₃⁺ групу α-карбоксил у 100–300 разів сильніша кислота, ніж оцтова (pKa = 4,76), тому в кристалі та в нейтральному розчині протон переходить на аміногрупу: утворюється біполярний іон — цвітеріон ⁺H₃N–CH(R)–COO⁻ з високим дипольним моментом і доброю розчинністю.
- pH < pKa1 — обидві групи протоновані: катіон ⁺H₃N–CH(R)–COOH, рухається до катода.
- pH = pI — переважає цвітеріон із сумарним зарядом Q = 0: в електричному полі не рухається, розчинність мінімальна.
- pH > pKa2 — аніон H₂N–CH(R)–COO⁻, рухається до анода.
Ізоелектрична точка — середнє двох pKa, що «оточують» цвітеріон:
Для гліцину pI = (2,34 + 9,60)/2 = 5,97; аспартату (1,88 + 3,65)/2 = 2,77; аргініну (9,04 + 12,48)/2 = 10,76.
Крива титрування лугом
Сумарний заряд Q у компартментах клітини
Пунктир: вакуоля pH 5,5 (помаранчевий), цитозоль 7,3 (зелений), строма 8,0 (синій).
Збігається з pI більшості нейтральних амінокислот (5,4–6,3): вони накопичуються у вакуолі як цвітеріони без порушення осмотичного балансу. Глутамат і аспартат (Q ≈ −1) врівноважують катіони K⁺, Ca²⁺, Mg²⁺.
Гістидин — єдина амінокислота з pKaR = 6,0 поблизу нейтральної зони: його імідазол — головний внутрішньоклітинний білковий pH-буфер і донор/акцептор протонів в активних центрах ферментів.
На світлі протони перекачуються в люмен. Підлуження строми частково депротонує SH-групи цистеїну (pKaR = 8,18) — так вмикається тіоредоксинова регуляція ферментів циклу Кальвіна і GS2.
В апопласті протонів у ≈ 100 разів більше, ніж у цитозолі. Переносники AAP і LHT використовують протон-рушійну силу: цвітеріон заходить у клітину разом з одним H⁺.
Ізоелектричні точки та гідрофобність
pIІзоелектрична точка
pI — це значення pH, за якого сумарний заряд молекули дорівнює нулю: кількість позитивних і негативних зарядів однакова, амінокислота існує переважно як цвітеріон. Нижче pI молекула заряджена позитивно, вище — негативно.
- Кислі (Asp 2,77; Glu 3,22) — дуже низький pI: уже за слабкокислого pH несуть негативний заряд.
- Нейтральні (Gly 5,97; Ala 6,00; Leu 5,98) — pI 5,0–6,3, близько до pH вакуолі й апопласту.
- Основні (His 7,59; Lys 9,74; Arg 10,76) — високий pI: у клітині майже завжди заряджені позитивно.
Навіщо знати: за pI розчинність мінімальна, а в електричному полі молекула не рухається — на цьому ґрунтуються електрофорез та ізоелектричне фокусування; pI також визначає, як амінокислота й білок поводяться в компартментах з різним pH.
HГідропатичність
Гідропатичність — число, що показує, наскільки бічний радикал «боїться води» (гідрофобний) або «любить воду» (гідрофільний). Найвідоміша шкала — Кайта й Дуліттла (1982): від +4,5 (ізолейцин, найгідрофобніший) до −4,5 (аргінін, найгідрофільніший).
- Додатні значення (Ile +4,5; Val +4,2; Leu +3,8; Phe +2,8) — радикал ховається всередину білка або в ліпідну мембрану.
- Від'ємні значення (Arg −4,5; Lys −3,9; Asp, Glu, Asn, Gln −3,5) — радикал тягнеться до води на поверхню білка.
- Значення близькі до нуля (Gly −0,4; Thr −0,7; Ser −0,8) — амфіфільні, «нейтральні» залишки.
Навіщо знати: усереднивши гідропатичність у «вікні» з 19–21 залишку, за білковою послідовністю можна передбачити трансмембранні α-спіралі — саме так знаходять мембранні канали, транспортери й помпи (див. конспект «Транспорт іонів у клітинах рослин»).
Перемикач нижче показує для всіх 20 амінокислот або pI, або гідропатичність — порівняйте значення в різних класах.
Довідкова таблиця 20 амінокислот (сортування за стовпцем)
| Гліцин Gly, G | C₂H₅NO₂ (75,07) | Неполярні аліфатичні | 2,34 | 9,60 | — | 5,97 | −0,4 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Аланін Ala, A | C₃H₇NO₂ (89,09) | Неполярні аліфатичні | 2,34 | 9,69 | — | 6,00 | +1,8 |
| Валін* Val, V | C₅H₁₁NO₂ (117,15) | Неполярні аліфатичні | 2,32 | 9,62 | — | 5,96 | +4,2 |
| Лейцин* Leu, L | C₆H₁₃NO₂ (131,17) | Неполярні аліфатичні | 2,36 | 9,60 | — | 5,98 | +3,8 |
| Ізолейцин* Ile, I | C₆H₁₃NO₂ (131,17) | Неполярні аліфатичні | 2,36 | 9,68 | — | 6,02 | +4,5 |
| Пролін Pro, P | C₅H₉NO₂ (115,13) | Неполярні аліфатичні | 1,99 | 10,60 | — | 6,30 | −1,6 |
| Метіонін* Met, M | C₅H₁₁NO₂S (149,21) | Неполярні аліфатичні | 2,28 | 9,21 | — | 5,74 | +1,9 |
| Фенілаланін* Phe, F | C₉H₁₁NO₂ (165,19) | Ароматичні | 1,83 | 9,13 | — | 5,48 | +2,8 |
| Тирозин Tyr, Y | C₉H₁₁NO₃ (181,19) | Ароматичні | 2,20 | 9,11 | 10,07 | 5,66 | −1,3 |
| Триптофан* Trp, W | C₁₁H₁₂N₂O₂ (204,23) | Ароматичні | 2,38 | 9,39 | — | 5,89 | −0,9 |
| Серин Ser, S | C₃H₇NO₃ (105,09) | Полярні незаряджені | 2,21 | 9,15 | — | 5,68 | −0,8 |
| Треонін* Thr, T | C₄H₉NO₃ (119,12) | Полярні незаряджені | 2,09 | 9,10 | — | 5,60 | −0,7 |
| Цистеїн Cys, C | C₃H₇NO₂S (121,16) | Полярні незаряджені | 1,96 | 10,28 | 8,18 | 5,07 | +2,5 |
| Аспарагін Asn, N | C₄H₈N₂O₃ (132,12) | Полярні незаряджені | 2,02 | 8,80 | — | 5,41 | −3,5 |
| Глутамін Gln, Q | C₅H₁₀N₂O₃ (146,15) | Полярні незаряджені | 2,17 | 9,13 | — | 5,65 | −3,5 |
| Аспартат Asp, D | C₄H₇NO₄ (133,10) | Кислі (заряджені −) | 1,88 | 9,60 | 3,65 | 2,77 | −3,5 |
| Глутамат Glu, E | C₅H₉NO₄ (147,13) | Кислі (заряджені −) | 2,19 | 9,67 | 4,25 | 3,22 | −3,5 |
| Гістидин* His, H | C₆H₉N₃O₂ (155,15) | Основні (заряджені +) | 1,82 | 9,17 | 6,00 | 7,59 | −3,2 |
| Лізин* Lys, K | C₆H₁₄N₂O₂ (146,19) | Основні (заряджені +) | 2,18 | 8,95 | 10,53 | 9,74 | −3,9 |
| Аргінін Arg, R | C₆H₁₄N₄O₂ (174,20) | Основні (заряджені +) | 2,17 | 9,04 | 12,48 | 10,76 | −4,5 |
04Біосинтез: шість родин
Біосинтез 20 амінокислот організований у 6 родин за вуглецевим попередником, що відгалужується від центрального метаболізму: циклу Кальвіна й пентозофосфатного шляху, гліколізу або циклу Кребса. Особливість рослинної клітини — більшість складних і енергоємних шляхів (усі дев'ять незамінних амінокислот, родини аспартату, пірувату, шикімату та гістидину) розміщені в пластидах: це спадок ціанобактеріального предка, що дає прямий доступ до ATP, фередоксину і NADPH фотосинтезу.
Чому гербіциди безпечні для людини? Найпоширеніші гербіциди блокують ферменти біосинтезу амінокислот, яких у тварин просто немає: гліфосат — EPSPS шикіматного шляху, сульфонілсечовини й імідазолінони — ацетолактатсинтазу (ALS) розгалужених амінокислот, глюфосинат — глутамінсинтетазу. Точкові мутації ALS (W574L, S653I) дають культурам стійкість до гербіцидів.
05Фізіологічні функції в рослині
Далекий транспорт азоту
Амінокислоти — головна транспортна форма органічного азоту між донорами (зрілі листки, корені) та акцепторами (меристеми, плоди, насіння). Для транспорту по ксилемі й флоемі рослина обирає амінокислоти з високим співвідношенням N : C — так вона економить фотосинтетичний вуглець. Глутамін і глутамат домінують у флоемі на світлі, аспарагін — у темряві, під час проростання й експорту азоту з бульбочок бобових, аргінін (32 % азоту за масою) — у запасних білках насіння та пагонах дерев узимку. Переносять їх білки LHT, AAP і UMAMIT.
Стрес перерозподіляє пул вільних амінокислот
За посухи й засолення рослина розщеплює частину білків і різко змінює склад вільних амінокислот: вміст проліну зростає в 10–100 разів, збільшується частка розгалужених амінокислот (альтернативний субстрат дихання) і фенілпропаноїдних попередників.
Ілюстративні частки (у % від суми вільних амінокислот листка) за даними опорного огляду.
Попередники фітогормонів, сигнальних і вторинних сполук
Шлях TAA1/YUC: триптофан → індол-3-піруват → індоліл-3-оцтова кислота; апікальне домінування, тропізми, закладання бічних коренів.
Метіонін → S-аденозилметіонін → (АЦК-синтаза) АЦК → (АЦК-оксидаза) етилен; метіонін повертається в циклі Янга. SAM дає також спермідин і спермін.
Фермент JAR1 кон'югує жасмонову кислоту з ізолейцином — лише JA-Ile зв'язується з рецептором COI1 і вмикає захист від комах і некротрофів.
Фенілаланінамоній-ліаза (PAL) дає коричну кислоту → монолігноли, флавоноїди, антоціани, таніни, кумарини, частину саліцилової кислоти.
C₅-шлях: глутамат → 5-амінолевулінова кислота → тетрапіроли (хлорофіл, гем, фітохром). ГАМК-шунт стабілізує pH, а глутамат в апопласті відкриває Ca²⁺-канали GLR — системна електрична хвиля.
γ-Glu–Cys–Gly — головний тіоловий антиоксидант (цикл Холлівелла — Асади); фітохелатини (γ-Glu-Cys)n-Gly зв'язують Cd²⁺, Pb²⁺, Hg²⁺ і виводять у вакуолю.
Сумісний осмоліт: знижує водний потенціал, стабілізує мембрани й білки, нейтралізує ·OH та ¹O₂; синтез через P5CS споживає надлишок NADPH.
Лізин → піпеколінова → N-гідроксипіпеколінова кислота — сигнал імунітету в неуражених листках.
Тирозин дає вітамін E і переносник електронів пластохінон, а також беталаїни буряка та ізохінолінові алкалоїди.
Біофортифікація та біостимулятори
Зерно злаків бідне на лізин і триптофан, а насіння бобових — на метіонін і цистеїн. Тому селекція й генетична інженерія змінюють регуляцію шляхів: кукурудза QPM з мутацією opaque-2, лінії з нечутливими до лізину DHDPS / аспартаткіназою та пригніченим катаболізмом лізину накопичують вільного лізину в десятки разів більше. Позакореневі біостимулятори на основі гідролізатів L-амінокислот утворюють хелати з мікроелементами (Fe²⁺, Zn²⁺, Mn²⁺), які легко проникають крізь кутикулу, і заощаджують рослині 15–70 ATP на кожну амінокислоту для відновлення білків після приморозків, посухи чи гербіцидного стресу.
06Контрольні питання
Чому рослини називають повними метаболічними автотрофами щодо амінокислот?
Яку роль відіграє цикл GS/GOGAT?
Що таке цвітеріон і за якого pH він переважає?
Розрахуйте pI глутамату (pKa1 = 2,19, pKaR = 4,25, pKa2 = 9,67).
Чому саме гістидин є внутрішньоклітинним pH-буфером?
Які шість біосинтетичних родин і їхні попередники?
Чому вміст проліну різко зростає за посухи?
Чому аспарагін і глутамін — головні транспортні форми азоту?
Попередником яких фітогормонів є амінокислоти?
07Література
- Galili G., Amir R., Fernie A. R. The regulation of essential amino acid synthesis and accumulation in plants // Annual Review of Plant Biology. — 2016. — Vol. 67. — P. 153–178.
- Hildebrandt T. M., Nunes Nesi A., Araújo W. L., Braun H.-P. Amino acid catabolism in plants // Molecular Plant. — 2015. — Vol. 8, № 11. — P. 1563–1579.
- Ufaz S., Galili G. Improving the content of essential amino acids in crop plants: goals and opportunities // Plant Physiology. — 2008. — Vol. 147, № 3. — P. 954–961.
- Takahashi H., Kopriva S., Giordano M. et al. Sulfur assimilation in photosynthetic organisms // Annual Review of Plant Biology. — 2011. — Vol. 62. — P. 157–184.
- Yao X. et al. Amino acid transporters in plants: identification and function // Plants. — 2020. — Vol. 9, № 8. — 972.
- Verslues P. E., Sharma S. Proline metabolism and its implications for plant–environment interaction // The Arabidopsis Book. — 2010. — Vol. 8. — e0140.
- Ingle R. A. Histidine biosynthesis // The Arabidopsis Book. — 2011. — Vol. 9. — e0141.
- Pascual M. B. et al. Biosynthesis and metabolic fate of phenylalanine in conifers // Frontiers in Plant Science. — 2016. — Vol. 7. — 1030.
- Forde B. G., Roberts M. R. Glutamate receptor-like channels in plants: a role as amino acid sensors in plant defence? // F1000Prime Reports. — 2014. — Vol. 6. — 37.
- Masclaux-Daubresse C. et al. Glutamine synthetase–glutamate synthase pathway and glutamate dehydrogenase play distinct roles in the sink–source nitrogen cycle // Plant Physiology. — 2006. — Vol. 140. — P. 444–456.
- Амінокислоти // Енциклопедія Сучасної України. — Київ : Інститут енциклопедичних досліджень НАН України.