Биосинтез лнгннна

В процессе исследования строения и свойств лигнина весьма важным является разрешение вопроса образования лигнина и других аромати­ческих соединений в растении. Большинство исследователей в настоящее время считает, что исходными предшественниками лигнина являются производные кониферилового спирта. Такую гипотезу высказывали еще Класон [18°] и, несколько позднее, Эрдтман [181]. Однако долгое время оставались невыясненными вопросы образования кониферилового спирта и роли углеводов в этом процессе.

Манская представляет лигнификацию растительной оболочки как процесс окисления фенольных соединений, катализируемый оксидазами,. присутствующими в растительных тканях. Изучение биохимических превращений фенольных соединений в растениях, их участия в процессах ДЕ, гхания связано с именами Баха и Палладина.

Изучая окисление органических веществ в растениях за счет кисло­рода воды, Бах показал, что течение этой реакции должно зависеть от наличия соединений, выводящих освобождающийся водород из сферы реакции. Отсюда создалось представление об акцепторах водорода.

В ряде работ (1908—1919 гг.) Палладии показал, что в растениях ши­роко распространены фенольные вещества, участвующие в процессе ды­хания. Эти вещества им были названы «дыхательными хромогенами». При действии окислительных ферментов «дыхательные хромогены» обра­зуют окрашенные хиноны — «дыхательные пигменты», которые, присо­единяя водород, превращаются в исходные фенольные соединения. Уче­ние Палладина о дыхательных хромогенах послужило основой для дальнейших исследований Опарина и других авторов.

Согласно представлениям, развитым Гиббертом [13°], катализаторами растительного дыхания являются вещества типа кониферилового спирта. Этот автор привел схему превращений катализаторов дыхания клеток на основе ароматических С6—С3-единиц. Схема сравнивалась им с С4-ди — карбоксильной кислотной окислительно-восстановительной системой Сцент-Дьерди для животной клетки

R—сн2—со—сн2он

—2hf| + 2н р.—сн2—снон—сн2он

4—н2о

R—сн=сн—сн2он

2

‘-2"

R’—сн2—со—r’ —2Н || — f 211 r’—сн2—снон—r’ 4—Н20 r’—сн=сн—r’

—2Н + 2Н r—сн2—сн2—сн2он

(R = гваяцил или сирингил) Система С6—С3

—2Н Ц + 2Н r’—сн2—сн2—r’ (r’=cooh)

Система С,

По Гибберту, у высших и низших форм растений мономолекулярные пропилфенольные вещества синтезируются для выполнения функции дыхательных катализаторов — переносчиков водорода. У высших форы растений эти катализаторы окисляются, как предполагал Гибберт, в пост — мортальном состоянии и легко подвергаются сложной серии превраще­ний (дегидрогенизации, конденсации и полимеризации), ведущих к обра­зованию лигнина.

Манская [132′ ia4; 145] в течение последних лет опубликовала ряд работ по изучению процесса образования лигнина в растениях. С этой целью

Биосинтез лнгннна

Дата отбора проб (1947г.)

Рис. 147. Активность пероксидазы (в миллиграммах пурпуро — галлина на 1 г сухого вещества).

1 — в прикамбиальном слое древесины; 2 — в камбиальном соке; з — Выход кониферина, в процентах к весу сухого вещества камбиального сока. (По Манской).

Проводилось исследование окислительных превращений глюкозида кони­ферина в камбиальной ткани, который является, по мнению Манской, исходным веществом при образовании лигнина.

О—СН—СНОН—СНОН—СНОН—CH—CH-OH

Ух)сн3 Сн=сн—сн2он

Кониферин

Манская выдвинула гипотезу, что образование лигннна связано •с нарушением дыхательной системы растений: в растительной ткани происходит необратимое окисление фенольных соединений под действием окислительных ферментов — фенолоксидазы и пероксидазы.

Еще в 1921 г. Палладии и Манская [131] установили присутствие фенол — ■оксидазы в древесине. Позднее Манская [132] показала, что камбиальная ткань сосны содержит пероксидазу и полифенолоксидазу. Согласно полу­ченным ею результатам, наблюдается определенная зависимость между активностью окислительных ферментов и выходом кониферина из камби­ального сока (рис. 147). В начале сезона (конец мая) наблюдается высокий выход кониферина и относительно небольшая активность ферментов {особенно пероксидазы), в середине лета происходит резкий подъем актив­ности ферментов и снижение выхода кониферина. В августе активность окислительных ферментов падает, и выход кониферина снова увеличи­вается.

На основе проведенных исследований Манская пришла к выводу, что кониферин или его производные являются субстратом для окислитель­ных ферментов. Манская предположила, что исходные фенольные соеди­нения лигнина (кониферин, конифериловый спирт) являются, согласно Палладину, «дыхательными хромогенами» и участвуют в окислительно — восстановительных процессах в камбиальной ткани. Исходя из теории Опарина о превращениях фенольных соединений в живых и разрушенных клетках, Манская выдвинула положение, согласно которому в основе образования лигнина лежит процесс окислительной конденсации феноль­ных веществ в отмирающих древесных клетках. В этих клетках нарушено дыхание и окислительные процессы преобладают над восстановительными. По схеме, предложенной Манской, глюкозид кониферин, присутствую­щий в камбиальной ткани, гидролизуется |3-глюкозидазой с образованием глюкозы и кониферилового спирта

ОН

OC0HuOs

Сн3о

CHgO

А

+н2о

+ с6н12о6

Глюкозидаза

ЧА


СН=СН—СН2ОН СН=СН—СН20Н

Кониферин Конифериловый спирт

Конифериловый спирт, окисляясь и восстанавливаясь, служит проме­жуточным звеном в цепи реакций, сопровождающих дыхание. Получаю­щиеся при окислении кониферилового спирта (в присутствии оксидаз) лабильные продукты (вероятно, (3-оксиконифериловый спирт) при нару­шении работы дыхательного аппарата превращаются путем дальнейшего уплотнения в лигнин, отлагаемый в клеточных стенках древесины. Эти процессы можно представить в виде схемы (схема № 2).

ОН I

ОСИ,

+о2

ОН

ОСИ,

А/

V

Сн=сн—СН2ОН

Окислительные ферменты

V I

СН—СН-

<J—i

-СН2ОН

Конифериловый спирт

1- он

Ферменты

I

ОН I

Он

‘ /ОСНз

Оси,

Оснч

+Н2

СН2—СНОН—СН2ОН

Ферменты

Р-Оксигидрокони — фериловый спирт

Сн2—СО—СН2ОН

Кетоформа (З-оксикониферило — вого спирта

V

СН=С(ОН)—сн2он

В-Оксиконифериловый спирт

"Уплотнение с i ванием лигнина Схема Ns 2

Известным подтверждением представлений об образовании лигнина из кониферина камбиального сока служат наблюдения Корчемкина [ш]. Автор заметил, что вещества свежесобранного сока сосны не дают каче­ственной реакции на лигнин; при продолжительном же хранении сока в условиях, исключающих его брожение, из него выпадает осадок, даю­щий с солянокислым флороглюцином реакцию на лигнин.

В последнее время очень большое число экспериментальных исследова­ний подтверждает значение кониферилового спирта в процессе образо­вания лигнина. Манская и Бардинская [134] при воздействии на кони — фериловый спирт оксидаз из древеснеющих тканей получили окисленные полимерные соединения, имеющие максимум поглощения ультрафиолето­вого излучения при 285 и 260 тх.

Большого внимания по своей глубине заслуживают новейшие работы Фрейденберга и его сотрудников по биосинтезу лигнина из кониферило­вого спирта. Эти работы подошли очень близко к разъяснению вопроса о строении сложного вещества лигнина, в котором присутствуют сходные, но не вполне однородные С6—С3-единицы, конденсированные в более сложные комплексы.

Фрейденберг, так же как и Манская, считает, что конифериловый спирт превращается (полимеризуется) в лигнин под действием фермен­тов — дегидрогеназ, находящихся в камбии. Конифериловый спирт, в свою очередь, образуется из глюкозида кониферина, содержащегося в камбиальном соке. В лиственных породах, кроме кониферина, содер­жится глюкозид сирингин, продукт гидролитического расщепления кото­рого — синапииовый спирт — также участвует в образовании лигнина (последний в отличие от продукта полимеризации кониферилового спирта содержит наряду с гваяцильными звеньями также сирингильные звенья)-

О—сн—снон—снон—снон—сн—сн2он он

‘——————— о—————— 1 сн3оч i. оси,

Ch3oxJ4/och3 YY

Ч 1

I

| сн=сн—Сн20н

Сн=сн—сн2он

Сирингин Синапиновый спирт

В подтверждение этим высказываниям Фрейденберг получил из кониферилового спирта «искусственный лигнин», так называемый DHP (Dehydropolymerisat). Автор показал, что если конифериловый спирт обработать в очень разбавленном растворе фенолредоксазой (восста­новительно-окислительным ферментом, находящимся в соке шампиньо­нов Psalliota Campestris), с одновременной продувкой воздухом, то этот спирт превращается в светлый аморфный порошок, обнаружи­вающий свойства лигнина, но содержащий несколько большее коли­чество двойных связей.

Превращение кониферилового спирта в «лигнин» проходит через про­межуточную стадию, очень короткую по времени. В этой стадии образу­ется еще очень немного «лигнина» (х/5—1/3 часть от количества конифери­лового спирта). Позднее наблюдается более полное выделение лигнина. В реакционной смеси удалось выделить и охарактеризовать следующие промежуточные соединения, составляющие около 75% от общего коли­чества продуктов реакции [135J

СН2ОН

I

СН

II

Сн I

СН2ОН

Сн.

СН

СН-

I

J

I

О

Voch4

Он

Дегидродиконифериловый спирт

Он

I

II

V

|

Сн2 1

Сн 1

1

СН — 1

1

-сн

1

СН

Сн»

ОСНч

Г

Уосн3 он

Rfl-Пинорезинол

СН2ОН

I

Сн

<?н I

I 3

СН-^О I

Гваяцилглицерин-Р-кони- фериловый эфир

Сн I

УСН3 ОН

В зависимости от условий смешения реагентов в смеси преобладал либо дегидродиконифериловый спирт, либо конифериловый эфир гваяцил — глицерина.

Фрейденберг считает эти продукты главными строительными звеньями лигнина. В отличие от кониферилового спирта он называет их вторичными звеньями. Все эти вторичные вещества, будучи отдельно смешаны с фер­ментом (фенолредоксазой), также переходят в нерастворимое подобное лигнину вещество. Хроматографические исследования [136] показали, что эти вещества присутствуют и в камбиальной ткани. Остальные 25% продуктов реакции содержат около восемнадцати различных веществ, из которых лишь немногие присутствуют в количестве около 2—3% [137]. Таким образом, по мнению Фрейденберга, лигнин хвойных является полимером дегидрированного кониферилового спирта.

Образование полимера и димерных продуктов Эрдтман [181> 138 ] и Фрейденберг объясняют сочетанием изомерных радикалов, образующихся из кониферилового спирта под действием дегидрирующих ферментов

Сн2он

I

Биосинтез лнгннна

/ХОСИ,

V ocilo ЧЧхосн

СН

I

СН2ОН

I

Сн

L А

СН2ОН

I

•сн

I

Сн

II

СН2ОН I

СН

СН2ОН I

Сн

Ли

I

•уСН3 ОН

Уосн3

ОН

Такие радикалы могут соединяться самым различным образом, давая чрезвычайно сложные цепи. Но расходятся взгляды Эрдтмана и Фрейденберга на механизм образо­вания цепей лигнина из этих единиц. Эрдтман [138] предполагает, что в процессе
дегидрополимеризации кониферилового спирта в качестве промежуточных соединений получаются хинонметиды типа

К:

Сщо

/= V

У~сн=

=СН— СН2ОН

=СН—СН—о-

Сн*он осн3

Эти хинонметиды неустойчивы и стабилизируются путем дальнейшей димеризации, давая искусственный лигнин.

Фрейденберг [137] считает, что образование лигнина путем стабилизации хпнон — метидов за счет их дальнейшей димеризации маловероятно, так как в этом случае должны были бы образовываться нерастворимые продукты даже в начале полимери зации, чего в опытах Фрейденберга по энзиматическому дегидрированию раствора кониферилового спирта не наблюдалось. Осаждение искусственного лигнина начи­налось лишь после израсходования большей части кониферилового спирта. Поэтому Фрейденберг приходит к заключению, что лигнин образуется путем непрерывной реакции — дегидрогенизационной конденсации. Получающиеся радикалы взаимо­действуют друг с другом, образуя димеры, называемые Фрейденбергом вторичными структурными звеньями лигнина. Эти димеры, будучи фенольными соединениями, также подвергаются действию дегидрогеназ с образованием соответствующих ради­калов, которые в свою очередь комбинируются далее с образованием более сложных структур.

Однако Фрейденберг допускает возможность образования из радикалов и хинон — метидов. Последние могут присоединять воду и давать |3-конифериловый эфир гваяцил­глицерина. При проведении энзиматического дегидрирования кониферилового спирта в присутствии метанола Фрейденберг [165] получил а-метиловый-Р-конифериловый: эфир гваяцилглицерина. Его образование можно объяснить присоединением метанола к промежуточному хинонметиду

Сн2он 1

СН2ОН 1

1

Сн (1

1

Сн

II

Лн 1

II

Сн 1

Сн2он уСНз

СН—- о

I

Сн

II

. сн2он^/

I I

Сн—— о

I

СНОСНд

I

CHsOH

Уосн3 он

В присутствии сорбита и сахарозы также образовывались соответствующие про­дукты присоединения. Фрейденберг предполагает, что подобным образом может осу­ществляться и связь лигнина с углеводами в растительной ткани.

Свои взгляды на близость процессов образования природного лигнина и лигнина, полученного энзиматической дегидрополимеризацией, Фрей­денберг подкрепил результатами тщательного изучения свойств искус­ственного лигнина.

/осн3

При изучении искусственного лигнина сравнивалось его поведение в основных реакциях, характерных для природного лигнина. Искусствен­ный лигнин, подобно природному лигнину, легко сульфируется. Реакция лигнина с бисульфитом является наиболее важной реакцией лигнина.

Многочисленные исследования показали, что при действии сернистой кислоты группа S03H в основном встает на место гидроксила замещенного — бензилового спирта. Подобный бензильный гидроксил имеется в свобод­ном виде и в гваяцилглицерин-конифериловом эфире. Расщепляемые при варке с сернистой кислотой и бисульфитом (в более кислой среде) эфирные кислородные мостики имеются и в пинорезиноле (стр. 493), который также может освобождать свободные бензильные гидроксилы. Таким образом, по своему свойству сульфироваться, образовывать лигно — сульфоновые кислоты и переходить при этом в раствор искусственный Лигнин Фрейденберга подобен природному лигнину хвойных пород.

Если обработать природный лигнин сильной^минеральной кислотой, то отщепляется небольшое количество формальдегида. Оказывается, что искусственный лигнин также отщепляет в этих условиях формальде­гид. Он образуется из первичных спиртовых групп дегидродикониферило — вого спирта и гваяцилглицеринкониферилового эфира. Как природный, так и искусственный лигнин дают красное окрашивание с солянокислым раствором флороглюцина. Искусственный лигнин, подобно природному лигнину, после обработки крепкой щелочью, метилирования и окисления дает несколько процентов изогемипиновой кислоты. Фрейденберг также производил эксперименты с синапиновым спиртом (см. стр. 492). Из одного синапинового спирта при помощи грибных ферментов не удалось получить искусственного лигнина. Если, однако, присутствует конифери­ловый спирт, то хорошо образуется полимерный продукт, [.содержащий максимально три единицы синапинового спирта на единицу кониферило­вого. Это явление находится в согласии с тем, что в природе никогда не встречаются лигнины, состоящие только из синапиновых производных.

Изложив здесь новые работы Фрейденберга по биосинтезу лигнина, нельзя не отметить сложность всех возникающих по этому поводу вопро­сов. Искусственный лигнин (DHP) Фрейденберга имеет много сходства с природным лигнином и наибюлее близким к нему лигнином Бьеркмана, но имеются и различия. Главные возражения [188], которые* были сделаны по поводу теории Фрейденберга, заключаются в подчеркивании трудности уподобления природного сложного процесса отложения лигнина искус­ственному и относительно упрощенному процессу дегидрополимеризации кониферилового спирта, проведенному вне живого организма.

Фрейденберг [139] и независимо от него Кратцль [14°] для доказатель­ства превращения кониферина в лигнин путем биосинтеза провели серии опытов с меченым кониферином, содержащим радиоактивный углерод С14. Опыты отчетливо показали, что кониферин в живой растительной ткани превращается под влиянием ферментов в нерастворимые соединения, остающиеся фиксированными в тканях и не поддающиеся экстрагированию спиртом.

Из полученной радиоактивной древесины Кратцль при этанолизе по­лучил активные мономеры Гибберта, в том числе, например, ванилоил —

Ацетил (ванилоилметилкетон)

НО—/ ^—СО—СО—СН3

У

Сн36

Полученный ванилоилацетил имел меченый углерод в том же положе­нии боковой цепи, что и исходный кониферин, т. е. не было обнаружено признаков какой-либо перегруппировки в фенилпронановом скелете при образовании лигнина из кониферина. Этими опытами было показано, что радиоактивный кониферин в растительной ткани действительно образует лигнин.

Несмотря на очень веские доводы, приводимые Фрейденбергом в оправ­дание предложенной им схемы образования лигнина, возникает естествен­ный вопрос: является ли жонифериловый спирт единственным первоисточ­ником лигнина или есть иные предшественники, которые своими путями биохимического синтеза формируют лигнин в растительной клетке. Зигель [141] исследовал 21 соединение на их способность образовывать лигнин в буферных растворах под действием пероксидазы и отметил значительное образование лигнина из соединений типа эвгенола

НО—^ СН2—СН=СН2

У, П Й

СИдО

При обсуждении этих вопросов на Четвертой международной кон­ференции по биохимии, как сообщили Блэнд и Уордроп [142], Фрейденбер­гом были высказаны некоторые замечания. Он указал, что хотя при использовании Зйге? Лем фенолов (эвгенола или* изоэвгенола) и происходило введение этих веществ в ткань древесины вследствие присутствия фермен­тов, природный М??нин может формироваться только из тех веществ, которые действительно находятся в камбиальном соке. «Полиме­ризация» же’ ^эвгенола или изоэвгенола, по мнению Фрейденберга, не имеет ничего общего с образованием настоящего лигнина.

Работами >fte Адлера было показано, что эвгенол даже при стоянии может превращаться в конифериловый спирт, который и следует рассма­тривать, очевидно, в качестве предшественника лигнина.

Трэнар и Бариуа [143] нашли даже, что лигниноподобные вещества, отложенные в древесных тканях, культивированных на кониферине и сирингине, не являются по характеристикам Ах*ультрафиолетовых и инфракрасных спектров похожими на настоящий природный лигнин. Тем не менее Блэнд [142] правильно указывает, что отложение эвгенола и других фенолов в клеточных стенках представляет большой интерес для понимания типа и существа этих реакций.

Норд с сотрудниками [144] считает, что важнейшим соединением, при­нимающим участие в синтезе лигнина, является и n-оксикоричный спирт

НО—/ сн=сн—СН2ОН

Этот спирт может претерпевать метоксилирование. Хигучи с сотруд­никами также показал, что конифериловый альдегид и тг-оксикоричныи альдегид под действием дегидрогеназы способны превращаться в соответ­ствующие спирты, а последние —- в лигнин.

Природа предшественников лигнина непосредственно связана с био­генезисом ароматических веществ в растении. Первыми продуктами фото­синтеза в растениях являются цепи углеродных атомов — мономеры глюкозы, которые могут быть превращены в циклические соединения. Не­известными оставались следующие стадии процесса — превращение ци­клических соединений в ароматические. В лабораториях подобные про­цессы удается осуществлять лишь с большим трудом. В растениях же ■синтез ароматических соединений, главным образом лигнина, совер­шается регулярно в жизненных процессах.

В последнее время в ряде исследований большое внимание уделяется шикимовой кислоте, по всей вероятности, участвующей в синтезе арома — тическцх соединенней широко распространенной в природе*’Шикимовая кислота близка по строен two к хинной кислоте, химические свойства которой и участие в обмене веществ у растений неоднократно изучались.

СООН НО СООН

НС сн2 Н2С сн2

TOC o "1-3" h z II II

Hoik : снон нон: снон

/ I

Сноп ггнон

Шикимовая кислота Хинная кислота

Работами Буткевича (1924 г.), Кизеля (1928—1930 гг.), Курсанова (1952 г.) было показано, что хинная кислота находится в генетической связи с глюкозой и в процессе обмена веществ является промежуточным звеном между углеводами и ароматическими соединекщшц.

Манская с сотрудниками [14Б] изучала распределение хинной и шики­мовой кислот в молодых побегах и (лишках cocifti в процессе их развития и одревеснения с использованием метода, разработанного японскими ав­торами Ио&гда и Хаеегава. Проведенные исследования показали значи­тельное содержание хинкод и шикимовой кислот в молодых побевах сосны (хиннвр до 5.23% от сухого веса, шикимовой — до 5.5%).’Их количество сначала нарастает (в период максимума айзнедёятельности растения), затем падает, когда побевт и шишки начинают одревесневать. Вероятно, хинная кйслота является более ранним продуктом фотосинтеза, затем под дотствием ферментов она превращается в шикимовую кислоту. Мерно предполагать, что хинная и шикимовая кислоты используются в растительных клетках для синтеза не толвко ароматических предшественников лигнина, но и других ароматических компонентов дре­весины.

Одновременно с изучением гидроароматических кислот Манская и сотрудники шроследили тайже изменение состава и процесс накопления ароматических альдегидов в сосновых побегах и шишках. Нитробензоль — пое’ окисление показало, что ароматические предшественники лигнина имеются уже на ранних стадиях роста. Кроме того, было обнаружено, что лигнин в формирующейся и зрелдревесине отличается не только по содержанию метоксильных групп и молекулярному весу, но и по составу получаюнтйхся из него ароматических альдегидов, и их количеству. При окислении молодых побегов обнаруживаются ванилин и /г-оксибензаль — д|гид, затем и-оксибензальдегид исчезает.

Большую помощь изучению химизма образования лигнина оказало исследование синтеза белков. Недавно были открыты бактерии,» которые могут синтезировать ароматические аминокислоты — фенилаланпн и тирозин. Дэвис [146]’ проследил некоторые ступени процесса их синтеза (см. схему № 3).

Линбхшая молекула глюяюзы сначала превращается в циклическое (не ароматическое) соединение, а затем, черезцесколько промежуточных стадий, в ароматическое соединение — фенилпировиноградную кислоту, которая является прямым предшественником ароматических аминокислот — фе — нилаланина и тирозина. Эти аминокислоты похожи на мономерные единицы лигнина тем, что у них имеется бензольное кольцо с боковой цепью из трех углеродных атомов. Норд и Шуберт [147] предположили, что процесс син­теза лигнина в растениях может походить на бактериальный синтез арома — 32 Н. И. Никитин

Ч<0

Н—с—он

Но—с—н

Н—С—он I

II—с—он I

Сн2он

D-Глкжоза

Соон

X

Но

Н2с сн2

О=с снон ^снон

5-Дегидрохинная кислота

Соон

I

С сн2

Нс

0=с сион

/ снон

5-Легидрошики- мовая кислота

СООН I

УЧ

Нс сн2

I I

Нонс снон

:ион

Шикимовая кислота

Но сн2-

X

Нс сн

II II

Нс сн

-со—соон

/ сион

Соон I

Со I

Сн

НС I

Нс

Сн

Сн

^ / сн

Сн2

Нс

Нс сн

Соон

I "

Chnh2

I

Сн2

^ / СН

СООН I

CHNHg I

СН2 I

УЧ

Ис сн

I II НС сн

V

Он

Тирозин

Префеновая кислота

Фенилаланпн

Фенилпировпно- градная кислота Схема 3

Тических аминокислот. Для проверки этого предположения проводились опыты [148] по введению радиоактивной шикимовой кислоты с изотопами углерода С14 (два в шестичленном кольце) в растущий сахарный тростник. Затем выделялся лигнин и окислялся нитробензолом и щелочью, в резуль­тате чего был получен радиоактивный ванилин с распределением актив­ности углеродных атомов, соответствующим распределению в исходной шикимовой кислоте. Таким образом, неароматическое кольцо шикимовой кислоты превратилось в ароматическое кольцо лигнина. Подобными же экспериментами удалось установить, что в синтезе лигнина участвует и и-оксифенилпировиноградная кислота, которая, по мнению Норда и Шу­берта, может быть непосредственным предшественником мономерных единиц лигнина. Во всяком случае, она стоит ближе к этим единицам, чем неароматическая шикимовая кислота. Было показано [149], что и-окси — фенилпировиноградная кислота, меченная радиоактивным углеродом в карбоксильной группе, может служить источником образования лигнина при введении ее в сахарный тростник. Меченый углерод оказывается в этом лигнине в положении С3 фенилпропановых единиц, т. е. на конце боковой цепи.

Норд и Шуберт дают следующую ориентировочную схему синтеза лиг­нина (см. схему № 4).

При сопоставлении различных данных Фрейденберг, Манская и другие исследователи приходят к выводу, что в синтезе мономерных структурных единиц лигнина большую роль могут играть аминокислоты, которые под действием соответствующих ферментов превращаются в спирты или кис­лоты — непосредственные предшественники лигнина.

TOC o "1-3" h z JI СООН

;СЧ СН2

110—С—Н НС сн

?<R

О СООН со

II—с—он

Я

II—с—он НОНС СНОН НС сн

/

Н—С—он Снон с сн

I ^ /

Сн2он с

I

Он

-В-Глюкоза Шикимовая кислота п-Оксифенилпировино-

Градная кислота

Л. L

~L ~LL

-С — — С- -i.

>

НС сн НС СН НС СИ

! 1L I II I II

НС СН НС с с с

W А / /

I С ОСН3 СН30 с осн3

Он он ‘ In

Мономерные единицы лигнина Схема № 4

По мнению Фрейденберга [137], ход образования лигнина в растущем еловом дереве следующий: шикимовая кислота ->префеновая кислота —> —> фенилаланин —> кониферин -» лигнин.

В опытах Фрейденберга [135] молодые растения ели использовали радио­активный фенилаланин в построении радиоактивного лигнина. Подобные результаты с различными растениями получили Браун и Нейш [1ь0]. Они же поставили опыты с радиоактивным тирозином и также, в некото­рых случаях, получили положительные результаты. По их мнению, в раз­личных растениях при построении лигнина используются разные предшест­венники.

Бардинская [151] применила для исследования процесса биосинтеза лигнина метод культуры тканей. Она проводила исследование влияния кониферина и фенилаланина на лигнификацию тканей моркови. Срезы ткани моркови, которые показывают слабую лигнификацию даже в свеже — выросшем состоянии, культивировались в среде агар-агара с добавкой и без добавок кониферина и фенилаланина. На основании результатов своих опытов Бардинская приходит к заключению, что наряду с конифе — рпном в процессе одревеснения важную роль играют ароматические амино­кислоты и, в частности, фенилаланин, что связано с известной общностью путей синтеза различных фенольных соединений в растительном организме.

Подобные исследования были также проведены Вачеком с сотрудни­ками [1S2J. Эти авторы изучали процесс лигнификации древесной ткани (ели). Ткань луба, не содержащая лигнина, после культивирования в среде
агар-агара с добавкой 1 % кониферина начинала давать сильное окраши­вание с солянокислым раствором флороглюцина в свежевыросших участ­ках. На добавку кониферина реагировала только живая ткань. После разрушения энзимов добавка кониферина уже не вызывала лигнификации.

Многие исследователи считают, что исходными веществами при построе­нии растениями лигнина могут быть моносахариды. Экспериментальная проверка этой гипотезы была проведена Сергеевой и Крейцберг [153]. Эти авторы вводили в быстрорастущий тополь растворы радиоактивных пентоз, глюкозы и фруктозы. Из древесины был затем выделен серной кис­лотой лигнин; он оказался радиоактивным. При окислении древесины щелочным раствором нитробензола были получены радиоактивные аромати­ческие альдегиды. Проведенные исследования позволили сделать вывод, что пентозы, глюкоза и фруктоза в процессе роста растительных тканей способны превращаться в ароматические соединения.

Еще ранее Нордом [154] была показана возможность превращения моноз в ароматические соединения. Для этого проводились опыты выращивания гриба бурой гнили Lentinus Lepideus в среде, содержащей глюкозу или ксилозу в качестве единственного источника углерода. При этом наблюдалось образование ароматического соединения — ме­тилового эфира п-метоксикоричной кислоты

CIIsO—/ — С Г Г = С Г [—С О О С И3

Были определены многочисленные промежуточные продукты, в том числе седогептулоза,1 тг-оксифенилпировиноградная кислота и шикимо­вая кислота.

В настоящее время большинство исследователей предполагает, что син­тез лигнина идет по следующей примерной схеме (схема № 5).

Заканчивая этим краткий обзор работ по химии лигнина, следует сказать, что за последние двадцать лет химические свойства, а отчасти строение и процесс образования этого вещества, получили в этих работах довольно большое и глубокое освещение. Последние два десятилетия дали нам характеристики строения отдельных мономеров, из которых по­строен лигнин. Были предложены новые методы осторожного расщепле­ния лигнина и выделения из растительных тканей. В этот же период были даже проведены опыты синтеза искусственного лигнина из пред­положительно возможных его предшественников. На основании коли­чественных определений тех или иных продуктов, получаемых при рас­щеплении лигнина, а также реакций с модельными соединениями были сделаны попытки выводов о возможном характере связей между отдель­ными мономерами в сложном и неоднородном веществе лигнина.

Применение новых физических методов исследования дает нам надежду на то, что в этом чрезвычайно сложном отделе органической химии в блшкайшие годы будет достигнута большая ясность.

Что касается практического использования лигнина, то, как уже выше говорилось, этот вопрос еще далеко не разрешен и мы знаем только

1 Седогептулоза

Н н н он I I I I

Но—сн2—с—с—с—с—со—сн2—он

I I I I

Он он он н

Глюкоза

I

Седогептулоза

Г

Хинная кислота

Шикимовая кислота

I

1

Префеновая кислота

I

Фенилпировиноградная кислота

I

__________________ I___________________

I I

I I

/г-оксифенилпировиноградная фенилаланин

Кислота

I________

I I

I

Промежуточные тирозин————————————- ароматические

Кислоты метоксилированные кислоты

I

I I

первичные структурные единицы лигнина (конифериловый, синапиновый и ге-оксикоричный спирты)

Схема Ка 5

Частные случаи применения этого вещества. Есть, однако, надежда, что успехи в изучении строения и свойств лигнина, достигнутые в последние двадцать лет, продвинут в ближайшем будущем и этот вопрос — вопрос использования столь важного природного растительного сырья.

Вы можете оставить комментарий, или ссылку на Ваш сайт.

Оставить отзыв