ФИЗИОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ, 2014, том 61, № 1, с. 3—22
= ОБЗОРЫ
УДК 581.1:426.23:582.866
БИОСИНТЕЗ ЖИРНЫХ МАСЕЛ У ВЫСШИХ РАСТЕНИЙ © 2014 г. Р. А. Сидоров, В. Д. Цыдендамбаев
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физиологии растений им. К.А. Тимирязева РАН, Москва Поступила в редакцию 22.04.2013 г.
У высших растений одними из важнейших запасных веществ являются триацилглицерины (ТАГ), представляющие собой основу практически всех растительных масел и использующиеся клеткой в качестве резервного источника энергии и углерода. Именно поэтому запасание масел в растениях происходит, как правило, почти исключительно в семенах. Растительные масла представляют собой не только важнейший пищевой и кормовой продукт, но и являются сырьем для получения множества непищевых продуктов - от олиф и смазочных материалов до биотоплива. От других запасных веществ ТАГ отличаются тем, что в ходе созревания плода их количественный, а часто и качественный состав не остается постоянным, а подвергается значительным изменениям. Поэтому пути биосинтеза ТАГ в живых организмах активно изучаются уже в течение ряда десятилетий, и на сегодняшний день накоплено достаточно много данных, чтобы в общих чертах можно было представить, как и где эти процессы протекают в растительной клетке. Краткому изложению современных представлений о путях и механизмах образования и накопления ТАГ у высших растений и посвящена настоящая работа.
Ключевые слова: высшие растения — плоды — семена — созревание — биосинтез — жирные кислоты — ТАГ — ацДАГ — олеосомы — пластиды — эндоплазматический ретикулум
БОТ: 10.7868/80015330314010138
ВВЕДЕНИЕ
Высшие растения в ходе онтогенеза накапливают разнообразные вещества — белки, углеводы (глюкозу, фруктозу, сахарозу, крахмал и др.), ли-пиды (жирные масла), эфирные и горчичные масла и многие другие продукты вторичного метаболизма. Эта способность растений широко используется человеком, который употребляет запасающие органы растений как в пищу или на корм скоту, так и в качестве сырья для получения разного рода продуктов (лекарственных препара-
Сокращения: АПБ — ацил-переносящий белок; АТЛФК — ацилтрансфераза лизофосфатидной кислоты; ацДАГ — 3-ацетил-1,2-диацил-5и-глицерины; Г3Ф — от-глицеро-З-фосфат; ГЗФ-АТ — яя-глицеро-З-фосфатацилтрансфераза; ГЗФ-ДГ — от-глицеро-З-фосфатдегидрогеназа; ДАГ — 1,2-диа-цил-яя-глицерины; ДАГАТ — диацилглицеринацилтрансфе-раза; КАС — кетоацилсинтаза; ЛФК — лизофосфатидная кислота; НАГ — нейтральные ацилглицерины; ПНЖК — полиненасыщенные ЖК; РМО — растения с масличным околоплодником; ТАГ — 1,2,З-триацил-^я-глицерины; ФК — фосфатидная кислота; ФЛ-ДАГАТ — фосфолипид:диацилг-лицерин ацилтрансфераза; ФФК — фосфатаза фосфатидной кислоты; ФХ — фосфатидилхолин; ФЭ — фосфатидилэта-ноламин; ЭР — эндоплазматический ретикулум. Адрес для корреспонденции: Цыдендамбаев Владимир Дылы-кович. 127276 Москва, Ботаническая ул., З5. Институт физиологии растений им. К.А. Тимирязева РАН. Факс: 007 (499) 977-80-18; электронная почта: vdt@ippras.ru
тов, спиртов, олиф, лаков, смазок, технических масел и др.).
Жирные масла растений — важнейший пищевой продукт в рационе человека, обеспечивающий значительную часть энергетических потребностей его организма и служащий источником незаменимых жирных кислот (ЖК). Основой практически всех жирных масел являются триа-цилглицерины (ТАГ) — сложные эфиры трехатомного спирта глицерина, все ОН-группы которого этерифицированы остатками ЖК. Запасание масел в растениях происходит почти исключительно в семенах, в которых ТАГ являются резервным источником энергии и углерода [1, 2]. В то же время существует ряд растений, в том числе и хозяйственно-ценных (например, масличная пальма, авокадо, маслина, облепиха), у которых значительное количество масла содержится не только в семенах, но и в сочном околоплоднике (перикарпии, гипантии, присемянниках и т.п.), где, наряду с маслами, накапливаются и другие полезные вещества — углеводы, витамины и различные вторичные соединения. Эта группа растений названа "растениями с масличным околоплодником" (РМО). Жирные масла во внесе-менных частях плода делают его привлекательным для животных, в особенности птиц, благода-
ря которым растения могут эффективно распространяться по суше [3]. Несмотря на то, что эти масла накапливаются в разных частях одного и того же плода, они всегда резко различаются между собой по составу входящих в них ЖК [48]. В частности, в сочных внесеменных частях этих плодов содержится, как правило, высоконасыщенное масло с преобладанием С16-ЖК — гек-садеценовой и пальмитиновой и/или октадецено-вых кислот, в то время как в семенах тех же плодов накапливаются ТАГ, богатые С18-полиненасыщен-ными ЖК - линолевой и а-линоленовой. Наконец, существует группа растений, накапливающих в семенах и внесеменных частях плода аналоги ТАГ - запасные нейтральные ацилглицерины (НАГ) не только разного состава, но и разной химической природы (см. ниже). Принимая во внимание столь резкие различия в накапливаемых маслах, можно было предположить, что пути биосинтеза как ТАГ, так и других НАГ в разных тканях и органах растений различны, и потому их выяснению посвящено множество исследований.
Как правило, все гидроксильные группы в глицериновом остатке молекулы ТАГ этерифициро-ваны остатками ЖК. Если в sn-1,3- и sn-2-поло-жениях находятся ацилы разных ЖК, то молекула такого ТАГ становится асимметричной и проявляет оптическую активность, однако различия в поляризуемости молекул ТАГ, содержащих обычные ЖК, незначительны, тогда как ТАГ с необычными ЖК обнаруживают высокую оптическую активность [9]. Так, высокая оптическая активность, обусловленная ацилами необычных ЖК в sn-3-положении, была обнаружена у ТАГ из семян Mannina emarginata, содержащих кориолино-вую (13-окси-цис-9, транс-11-октадекадиено-вую) кислоту [10].
Помимо различных ЖК, ТАГ некоторых растительных масел могут включать и функциональные группы нелипидной природы. Так, в семенах бересклета бородавчатого (Euonymus verrucosus), недотроги Ройля (Impatiens roylei) и I. edgeworthii были обнаружены необычные оптически активные 3-ацетил-5и-1,2-диацил-глицерины (ацДАГ), содержащие в sn-3-положении остаток уксусной кислоты [11, 12]. В составе ТАГ семян растений рода Dracunulus содержатся необычные ю-фенил-алкановые и ю-фенилалкеновые кислоты, доля которых достигает 13% от суммы ЖК ТАГ [13]. В липофильных выделениях почек тополя (Populus lasiocarpa), распространенного в Китае, также показано присутствие ТАГ, содержащих остатки фе-нолкарбоновых кислот, главными из которых были sn-1,3-ди-n-кумароил-2-ацетилглицерины, sn-1,3-ди-кофеил-2-ацетилглицерины и sn-1-п-ку-мароил-3-кофеил-2-ацетилглицерины [14], в коре растения Aquilaria malaccensis (Thymelaeaceae), распространенного в Индии, Бирме, на Борнео, в
Тайланде и на Филиппинах — 1,3-дибегенил-2-фе-рулоилглицерины [15], а в растении LШum longiflo-rum были обнаружены необычные аналоги ДАГ — sn-1- и sn-3-диацетил-2-глюкозилглицерины, которые вместо остатков ЖК в sn-1- или в sn-3-по-ложениях были ацилированы остатками уксусной кислоты, а в sn-2-положении содержали глюкозу [16].
ЖИРНЫЕ КИСЛОТЫ
Главными компонентами ТАГ, в значительной степени определяющими свойства масел, являются ЖК. Как правило, их подразделяют на главные, минорные и необычные [17].
В состав ТАГ, как и в состав мембранных липи-дов, чаще всего входят лауриновая (12:0), мири-стиновая (14:0), пальмитиновая (16:0), стеариновая (18:0), олеиновая (Д9-18:1), линолевая (Д9,12-18:2) и а-линоленовая (Д9,12,15-18:3) кислоты. Эти семь ЖК с четным количеством углеродных атомов в алифатической цепи широко распространены в природе и являются главными компонентами липидов. Их называют главными или обычными [17, 18]. Вместе с тем, качественный ЖК-состав ТАГ и мембранных липидов у очень многих растений может резко различаться, так как в составе ТАГ часто присутствуют ЖК, отсутствующие в составе липидов мембран (известно уже более 1000 индивидуальных видов ЖК, обнаруженных именно в ТАГ). Причины этого явления будут рассмотрены нами далее.
Кислоты, гомологичные главным ЖК, но присутствующие в липидах в меньших количествах (не более 5% от суммы ЖК), называют минорными. К минорным ЖК также относят гомологи главных ЖК с большим или меньшим числом атомов углерода, или же отличающиеся от главных положением или конфигурацией двойных связей. Главные и минорные ЖК присутствуют в липидах подавляющего большинства растений, и потому их называют "обычными" ЖК. Остальные кислоты, отличающиеся от них либо конфигурацией или положением двойных связей, либо наличием сопряженных двойных или тройных связей, также встречающиеся в составе растительных липидов, относят к необычным. Описано уже более 1000 различных необычных ЖК в составе масел семян, однако предполагается, что в растительном царстве может быть обнаружено несколько тысяч необычных ЖК [18, 19]. Необычные ЖК, как правило, имеют длину цепи от 8 до 30 углеродных атомов, содержат двойные связи в необычных положениях молекулы, одну или несколько различных функциональных групп, например, метильную, гидроксильную, эпоксильную, циклопропановую, циклопентано-вую и др. [17, 18]; необычные ЖК могут составлять до 90% от суммы ЖК того или иного масла.
Ацетил-КоА-карбоксилаза
МКМТ
Ацетил-КоА ^^—"Малонил-КоА ^ ^^^ > Малонил-АПБ
СО2
АПБ КоА Ацетил-КоА-
KAC III
ОАДГ КАР Еноил-АПБ^-3-Оксиацил-АПБ —-3-Кетобутил-АПБ
EHP
KAC I
Бутирил-АПБ----"vs-"*------- Миристоил-АПБ
5 Малонил-АПБ
KAC I
. Малонил-АПБ
FatB
C
KAC II
— Стеароил-АПБ^--Пальмитоил-АПБ
18:0
Малонил-АПБ
А9-Ацил-АПБ-десатураза FatA
Олеоил-АПБ-- С18:1
FatB
C
16:0
Пластида
Цитозоль
Рис. 1. Биосинтез ЖК у высших растений.
FatA и FatB — ацил-АПБ-тиоэстеразы, гидролизующие преимущественно олеоил-АПБ и различные насыщенные и ненасыщенные ацил-АПБ; ЕНР — еноил-АПБ-редуктаза; КАР — кетоацил-АПБ-редуктаза; КАС — кетоацилсинтаза; МКМТ — малонил-КоА : АПБ-малонилтрансфераза; ОАДГ — оксиацил-АПБ-дегидраза.
Между тем, отнесение той или иной ЖК к группе главных, минорных или необычных довол
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.