Органические кислоты

H   H   OH  OH H  OH  OH

      |      |      |      | |      |      |

HOH₂C—C—C—C—C-CH₂OH   HOH₂C—C—C—C—C—CH₂OH

      |      |      |      | ||     |      |      |

               OH  OH  H    H O  OH  H    H

 

D-Mаннит D-Фруктоза

 

Окислительным «брожением»  считают также окисление глюкозы  в глюконовую кислоту, вызываемое некоторыми бактериями и плесневым грибом Aspergillus niger. Глюконовая кислота широко применяется в фармацевтической промышленности и медицине. Поэтому процесс превращения глюкозы в глюконовую кислоту, происходящий под влиянием микроорганизмов, исследован довольно хорошо. Важнейшие факторы, от которых зависит накопление глюконовой кислоты в культурах плесневых грибов, – состав питательной среды, доступ воздуха к культуре и штамм применяемого гриба.

В. С. Буткевичем, а также  Е. Кардо-Сысоевой установлено, что  при выращивании в определенных условиях плесневого гриба на растворах сахарозы 100% последней превращается в глюконовую кислоту.

Плесневые грибы способны окислять альдегидную группу не только глюкозы но также и других моносахаридов в образованием соответствующих кислот, некоторые штаммы Aspergillus niger на средах, содержащих мел, превращают до 70% маннозы в аналогичную глюконовой кислоте манноновую кислоту. Установлено также, что мицелий гриба Fusarium lini легко окисляет альдегидную группу пентоз, превращая арабинозу в арабоновую кислоту, а ксилозу – в ксилоновую кислоту.

Значительный биохимический  интерес представляет синтез плесневыми грибами кодзиевой кислоты. Эта кислота накапливается в культурах плесневых грибов Aspergillus oryzae и Aspergillus flavus, применяемых в Японии для изготовления из риса алкогольного напитка, называемого саке.

Из сопоставления приведенных  ниже структурных формул глюкозы  и кодзиевой кислоты видно, что последняя могла бы рассматриваться как производное глюкозы, возникающее в результате отнятия у нее двух молекул воды, а также двух атомов водорода у третьего углеродного атома:

 

       CH₂OH CH₂OH

        |  |

       C————O C—O

H    /| \   H            //         \

  |  /  H \ |       HC          CH

  C    C \           //

  |  \ OH H   /  | C  — C

HO \| |  /   OH ||         |

        C————C O       OH

         |               |

        H        OH

 

             Глюкоза      Кодзиевая

кислота

 

В культурах плесневых грибов могут накапливаться значительные количества щавелевой кислоты. Способность образовывать эту кислоту свойственна самым различным грибам. Наиболее подробно изучен синтез щавелевой кислоты в культурах плесневых грибов, принадлежащих к родам Aspergillus, Mucor и Penicillium. Характерной особенностью этого процесса является то, что щавелевая кислота образуется из самых разнообразных веществ: углеводов, пептона, глицерина, солей уксусной, винной, янтарной, фумаровой, лимонной, яблочной и других кислот. Основное условие накопления щавелевой кислоты в культуре плесневого гриба – наличие в среде свободных оснований, нейтрализующих щавелевую кислоту. Кислая среда препятствует накоплению оксалатов. Влиянием кислотности объясняется также зависимость между накоплением щавелевой кислоты в культуре гриба и предоставленным ему источником азота. Щавелевая кислота накапливается в значительных количествах лишь при культивировании грибов на средах, содержащих физиологически щелочные источники азота – нитрат калия, натрия или кальция. Весьма интенсивное образование щавелевой кислоты при культивировании плесеней на пептоне объясняется, по-видимому, накоплением в среде значительного количества аммиака.

Щавелевая кислота – продукт неполного окисления сахара плесневыми грибами, поэтому может подвергаться дальнейшему окислению с возникновением в конечном счете диоксида углерода и воды.

По всей вероятности, биосинтез щавелевой кислоты  из уксусной происходит путем окисления  последней в гликолевую и далее  в глиоксилевую кислоту. Гликолевая и глиоксилевая кислоты могут быть обнаружены в культурах гриба Aspergillus niger, развивающегося на солях уксусной кислоты; вместе с тем показано, что плесневые грибы могут окислять гликолевую кислоту в глирксилевую и щавелевую. Таким образом, этот путь биосинтеза щавелевой кислоты может быть представлен следующим образом:

 

СН₃   CH₂OH                        CHO COOH

   |      →        | →             | →   |

COOH   COOH  COOH COOH

 

Уксусная  Гликолевая Глиоксилевая Щавельная

кислота кислота кислота кислота

 

Таким образом, обмен  органических кислот у микроорганизмов теснейшим образом связан не только с обменом углеводов, но также с превращениями белковых веществ, ароматических и гидроароматических соединений.

 

3 ОБМЕН ОРГАНИЧЕСКИХ КИСЛОТ У ВЫСШИХ РАСТЕНИЙ

 

Органические кислоты  алифатического ряда накапливаются  во многих высших растениях в очень больших количествах. Чаще встречаются у растений лимонная, яблочная и щавелевая кислоты. Широко распространенный взгляд о том, все высшие растения могут быть разделены в зависимости от преобладающей их кислоты на лимоннокислые, яблочнокислые и щавелевокислые, ошибочен. Содержание органических кислот в растениях не может рассматриваться статики, без связи со всем характером обмена веществ у данного растения, без учета влияния внешней среды на накопление и превращение кислот в растении. Действительно, можно привести ряд примеров, указывающих на условность подобного рода классификации. Например, апельсинное дерево, в плодах которого накапливаются чрезвычайно большие количества лимонной кислоты, должно бы быть отнесено к растениям лимоннокислого типа, но этого сделать нельзя — в листьях его преобладает яблочная кислота. Состав органических кислот, содержащихся в растении Bryophyllum calycinum , сильно изменяется в течение суток, а также в зависимости от таких факторов, как освещение и температура. Такие же изменения в составе органических кислот в зависимости от условий среды происходят и у других растений.

Накопление в растении той или иной кислоты тесно  связано со всем комплексом превращений органических кислот во время развития растения, с типом обмена веществ вообще и его зависимостью от условий внешней среды. Различия в содержании отдельных органических кислот в данном растении – следствие различий в соотношении скоростей ферментативных реакций, лежащих в основе образования и превращения комплекса органических кислот?

Большая группа высших растений, резко выделяющихся по чрезвычайно  высокому содержанию органических кислот в стеблях и листьях, названа суккулентами. Она объединяет растения, принадлежащие к самым разнообразным семействам. Все суккуленты имеют мясистые, сочные листья и стебли. Типичные суккуленты – алоэ, кактусы, бегония, очиток, толстянки.

Высокое содержание органических кислот и глубокие их превращения под влиянием условий внешней среды позволяют использовать суккуленты для изучения обмена органических кислот. Уже давно было отмечено, что у суккулентов происходят весьма существенные изменения в содержании органических кислот в течение суток. В этом отношении особенно ярким примером являются изменения, наблюдаемые у Bryophyllum calycinum. Утром листья этого растения имеют кислый вкус и содержат наибольшее количество органических кислот; к полудню и особенно к вечеру их содержание резко снижается и листья становятся безвкусными, а вечером даже горькими. Эти изменения в содержании кислот зависят от фотосинтетической деятельности листа и поэтому тесно связаны с изменениями в содержании углеводов, прежде всего крахмала, - уменьшение содержания органических кислот сопровождается накоплением крахмала, и обратно.

Большое влияние на содержание органических кислот у суккулентов оказывает также температура: при температуре 10°С и ниже кислоты накапливаются особенно  интенсивно, а при повышении   температуры   до 25-30°С   количество их резко снижается.

Колебания в содержаний органических кислот и крахмала, происходящие  у суккулентов в течение суток, связан изменениями    газообмена, понижении количества  органических кислот выделяется больше СО₂, чем поглощается. Кислорода, вследствие чего отношение СО₂ /О₂ достигает значений колеблющихся между 1,35 и 1,70. Наоборот, накопление органических кислот сопровождается значительным понижением отношения объемов выделяемого диоксида углерода и поглощаемого кислорода. При максимальном образовании органических кислот отношение СО₂ /О₂ равно 0; в этом случае поглощаются значительные количества кислорода, а СО₂ не выделяется совершенно, так как он используется на синтез органических кислот.

Зависимость между накоплением органических кислот в листьях и содержанием СО₂ в воздухе дает возможность объяснить происходящие в течение суток колебания в содержании органических кислот в растении. В темноте в листьях парциальное давление диоксида углерода, выделяемого в процессе дыхания, возрастает, вследствие чего он быстрее используется на синтез органических кислот. На свету выделяемый в результате дыхания диоксид углерода немедленно разлагается благодаря процессу фотосинтеза, вследствие чего происходит понижение парциального давления СО₂ в тканях и ослабление интенсивности биосинтеза органических кислот.

Так же как и у плесневых  грибов, очень большое влияние  на накопление органических кислот у  высших растений оказывает характер азотистого питания. И в том, и  в другом случае зависимость одна и та же – питание физиологически кислыми аммонийными солями приводит к значительному понижению накопления органических кислот, в то время как нитраты оказывают обратное действие.

Имеющийся   экспериментальный  материал   определенно  свидетельствует том, что образование органических кислот как у низших, так и у высших растений связано с процессом дыхания и диссимиляцией углеводов. Ранее приводил результаты исследований изменения содержания органических кислот и крахмала у Bryophyllum, из которых очевидно, что превращения органических кислот неразрывно связаны с превращениями углеводов. Весьма убедительные данные свидетельствующие о том, что источником образования органических кислот высших растениях являются сахара, были получены О. Ю. Соболевской и Буткевичем. Путем вакуум-инфильтрации они вводили в листья махорки стерильный раствор глюкозы; в контрольных опытах и листьях   инфильтрировалась стерильная вода. Затем инфильтрированные листья выдерживали в течение определенного времени в камере с влажным воздухом, после чего в них определяли лимонную кислоту. Опыты показали, что инфильтрация глюкозы в листья резко стимулировала образование в них лимонной кислоты:

 

Таблица 1. Содержание лимонной кислоты

 

Листья	Вариант опыта	Прирост лимонной кислоты, % от исходного значения
Молодые	Опыт	+119
	Контроль	+18,9
Спелые	Опыт	+159,3
	Контроль	+89,1

 

В растении отдельные  органические кислоты могут легко  превращаться друг в друга. Так, при  томлении и сушке табачных листьев  содержание в них яблочной кислоты значительно уменьшается, а лимонной, соответственно, увеличивается. Такая же картина наблюдается при выдерживании живых табачных листьев в темноте. Это ясно видно из данных Г. Виккери, приведенных в таблице 2.

 

Таблица 2. Изменение содержания органических кислот

в листьях табака в  темноте  за 48 ч

(в мэкв на 1 кг сырой массы)

 

Кислоты	Исходное значение	После 48 ч в темноте	Изменение
Щавелевая	26,8	28,2	+ 1,1
Лимонная	43,1	92,6	+49,5
Яблочная	215,0	159,3	-55,7
Неизвестные кислоты	79,9	94,4	+14,5
Сумма органических кислот	364,0	373,7	+9.7

 

На существование в  высших растениях превращений и  реакций цикла трикарбоновых  кислот указывают опыты, в которых  ткани растений обогащались теми или иными органическими кислотами. Такие опыты были поставлены Д. М. Михлиным и А. Н. Бахом, а также М. П. Пятницким. Д. М. Михлин и А. Н. Бах путем вакуум-инфильтрации вводили в листья махорки различные органические кислоты и их смеси. Наиболее интенсивное образование лимонной кислоты в листьях происходило при инфильтрации смеси щавелевоуксусной и пировиноградной кислот. Подобный результат может быть легко объяснен, если в соответствии с циклом трикарбоновых кислот принять, что лимонная кислота образуется путем конденсации щавелевоуксусной кислоты и ацетил-СоА, образующегося при окислительном декарбоксилировании пировиноградной кислоты.

В опытах Михлина и  Баха значительное увеличение образования  лимонной кислоты наблюдалось также  при инфильтрации в листья янтарной кислоты, являющейся важным звеном в цикле трикарбоновых кислот.

Весьма показательные  данные были получены Пятницким, работавшим с листьями табака (Nicotiana tabacum) и махорки (Nicotiana rustica). Он показал, что при засасывании через черешки в находящиеся в темноте листья калиевых солей яблочной, фумаровой, янтарной и винной кислот первые три сильно увеличивали образование лимонной кислоты, в то время как винная кислота подобного влияния не оказывала.