- •Глава 1. Растительная клетка (Носов а.М.)
- •1.1. Все живые клетки имеют как общие, так и специфичные черты.
- •1.1.1. Принципиальное отличие любой эукаритической клетки от прокариотической – наличие множества отсеков, именуемых органеллами.
- •1.1.2. В клетке существует два пути транспорта белков.
- •1.2. Растительная клетка – результат двойного симбиоза.
- •1.3. Плазматическая мембрана растительной клетки (плазмалемма).
- •1.3.1. Структура плазмалеммы.
- •1.3.2. Функции плазмалеммы.
- •1.4. Ядро растительной клетки.
- •1.4.1. Строение ядра растительной клетки не отличается от ядра других эукариот.
- •1.4.2. Комплекс ядерных пор выполняет функции фильтров и активных переносчиков макромолекул.
- •1.5. Пластиды.
- •1.5.1. Пластиды - семейство органелл, свойственных только растительным клеткам.
- •1.5.2. Все типы пластид развиваются из пропластид.
- •1.5.3. Внешняя и внутренняя мембраны оболочки пластид отличается по составу, структуре и транспортным функциям.
- •1.5.4. Размножение пластид осуществляется путем деления уже существующих пластид.
- •1.5.5. Пластиды наследуются у большинства растений по материнской линии.
- •1.5.6. Пластиды частично сохранили свою автономию: они имеют собственную днк прокариотического типа и белок-синтезирующую систему
- •1.5.6.1. Работу «домашнего хозяйства» пластид обеспечивают две негомологичные рнк-полимеразы.
- •1.5.6.2. Транскрипция пластидной рнк - хорошо спланированный сценарий, регулируемый светом.
- •1.5.7. Созревание пластидной рнк – многоступенчатый процесс, основа регулирования работы пластидных генов.
- •1.5.8.Трансляция белков в пластидах: слуга двух господ.
- •1.5.9. Для транспорта в хлоропласт цитозольные белки имеют один или два лидерных пептида.
- •1.5.10. Функции пластид достаточно разнообразны.
- •1.6. Растительные митохондрии
- •1.6.1. Растительные митохондрии по строению и функциям мало отличаются от митохондрий других эукариот.
- •1.6.2. Геном митохондрий высших растений значительно отличается как от генома пластид, так и от митохондриальных геномов других эукариот.
- •1.6.3. Транспорт цитозольных белков в митохондрии и в пластиды имет много общих черт.
- •1.7. Пероксисомы – возможно, потомки древних органелл, выполнявших функции детоксикации кислорода.
- •1.8. Цитоскелет
- •1.8.1. Актин.
- •1.8.2. Тубулин.
- •1.8.3. Белки промежуточных волокон 1.
- •1.9. Эндомембранные структуры растительной клетки.
- •1.9.1. Растительный эр: динамическая органелла, составленная из многих дискретных функциональных областей.
- •1.9.2. Аппарат Гольджи (аг).
- •1.9.2.1. Растительный аппарат Гольджи состоит из рассеянных по цитозолю комплексов диктиосом с тгс, которые передвигаются с током цитоплазмы.
- •1.9.2.3. Аппарат Гольджи растительных клеток является фабрикой углеводов и гликозилированных белков.
- •1.9.3. Вакуоли.
- •1.9.3.1. Растения используют вакуоли, чтобы увеличить размеры клетки без больших затрат.
- •1.9.3.2. Вакуоли – многоцелевые органеллы растительной клетки, которые являются внутриклеточным конечным пунктом секреторного пути транспорта веществ.
- •1.9.3.3. Новые вакуоли возникают преимущественно за счет расширения специализированных областей гладкого эр.
- •1.9.3.4. Автофагия – особый случай формирования вакуолей
- •1.9.3.5. Большинство растительных клеток содержат два типа вакуолей.
- •1.10. Клеточная стенка.
- •1.10.1. Клеточная стенка - динамичная структура с поразительно разнообразными функциями.
- •1.10.2. Клеточная стенка представляет собой три независимые сети полимеров со специфичными функциями.
- •1.10.2.1. Сахара - основные строительные материалы клеточной стенки.
- •1.10.2.2. Первая сеть клеточной стенки образована волокнами целлюлозы, соединенные специальными гликанами. Сопромат отдыхает.
- •1.10.3. Вторая сеть клеточных стенок образована пекитновыми соединениями - полимерами, обогащенными галактуроновой кислотой.
- •1.10.4. Третья сеть клеточной стенки построена из структурных белков или из фенилпропаноидов.
- •1.10.5. Клеточные стенки покрытосеменных растений имеют два различных типа строения.
- •1.10.6. Биосинтез клеточной стенки.
- •1.10.6.1. Клеточная стенка возникает из развивающейся стрединной пластинки (фрагмопласта).
- •1.10.6.2. Все “нецеллюлозные” полимеры клеточной стенки синтезируются в аппарате Гольджи.
- •1.10.6.3. Микрофибриллы целлюлозы собираются на поверхности плазматической мембраны.
- •1.11. Онтогенез растительной клетки.
- •1.11.1. Система cdk-циклин - ключевой момент регуляции клеточного цикла.
- •1.11.2. Рост клетки
- •1.11.2.1. Рост клетки во многом определяется перестройками в клеточной стенке.
- •1.11.2.2. Ориентация синтезирующихся микрофибрилл целлюлозы определяется расположением кортикальных микротрубочек.
- •1.11.2.3. Гипотеза “кислого роста” постулирует, что ауксин-зависимое подкисление клеточной стенки активирует растяжимость клеточной стенки и рост клетки.
- •1.11.2.4. После прекращения роста форма клетки должна быть зафиксирована компонентами клеточной стенки.
- •1.11.3. Дифференциация клетки.
- •1.11.3.1. Одним из основных признаков дифференцированной клетки является прекращение роста и формирование вторичной клеточной стенки.
- •1.11.3.2. Вторичное осаждение суберина и кутина делает клеточную стенку непроницаемой для воды.
- •1.11.3.3. Лигнин - главный компонент некоторых вторичных клеочных стенок.
- •1.11.4. Смерть растительной клетки
- •1.12. Особенности функционирования растительной клетки.
- •1.12.1. Функционирование клетки – координированная работа многих органелл.
- •1.12.2. В работе растительной клетки участвуют как «прокариотческие», так и «эукариотические» метаболические системы.
- •Глава 2. Основы биоэнергетики (Полесская о.Г.)
- •2.1. Живые организмы могут использовать две формы энергии – световую и химическую.
- •2.2. Упорядоченность биологических систем и обмен энергией с окружающей средой.
- •2.3. Направление химической реакции определяется величиной изменения свободной энергии.
- •2.4. Энергозависимые реакции сопряжены с реакцией гидролиза атф.
- •2.6. Трансмембранный электрохимический протонный градиент и его составляющие.
- •2.9. Циркуляция ионов через мембраны – фундаментальный процесс клеточной биологии. Другие атФазы.
- •2.10. Электрон-транспортные цепи. Направление переноса электронов в этц определяется редокс -потенциалом переносчиков.
- •2.11. Организация этц в мембране.
- •2.12. Некоторые переносчики электронов являются общими для этц всех типов.
- •2.13. Заключение.
- •Глава 3. Фотосинтез (Гавриленко в.Ф., Жигалова т.В.)
- •3.1. Фотосинтез как основа биоэнергетики.
- •3.1.1. Космическая роль зеленого растения в трансформации вещества и энергии
- •3.1.2. Природа основных реакций и физико-химическая сущность фотосинтеза
- •3.2. Структурная и биохимическая организация фотосинтетического аппарата.
- •3.2.1. Лист – специализированный орган фотосинтеза в растении
- •3.2.2. Хлоропласты - центры фотосинтеза клеток растений
- •3.2.2.1. Основные принципы структурной организации хлоропластов.
- •3.2.2.2. Химический состав и физические свойства тилакоидных мембран хлоропластов.
- •3.2.3. Основные этапы биогенеза хлоропластов
- •3.3. Пигментные системы фотосинтезирующих организмов.
- •3.3.1. Пигментные системы как первичные фоторецепторы
- •3.3.2. Хлорофиллы
- •3.3.2.1. Основные элементы структуры и их значение в поглощении и преобразовании энергии.
- •3.3.2.2. Метаболизм магний-порфиринов.
- •3.3.3. Фикобилины
- •3.3.4. Каротиноиды
- •3.3.4.1. Общая характеристика класса каротиноидов.
- •3.3.4.2. Антенная функция каротиноидов.
- •3.3.4.3. Защитная функция каротиноидов.
- •3.3.4.4. Фотопротекторная функция каротиноидов.
- •3.3.4.5. Биосинтез каротиноидов.
- •3.4. Функциональная организация пигментов в хлоропластах.
- •3.4.1. Образование пигмент-белковых комплексов
- •3.4.2. Основные типы пигмент-белковых комплексов
- •3.4.3. Энергетическое взаимодействие пигментов в антенных комплексах и реакционных центрах
- •3.5. Первичные процессы фотосинтеза. Реакционные центры
- •3.5.1. Структурная и функциональная организация реакционных центров.
- •3.5.2. Механизм преобразования энергии в реакционных центрах.
- •3.5.3. Сравнительный анализ энергетической эффективности работы реакционных центров бактерий и высших растений.
- •3.6. Электрон-транспортная цепь хлоропластов
- •3.6.1. Структурно-функциональная организация электрон-транспортной цепи хлоропластов.
- •3.6.1.1. Компоненты этц хлоропластов, их природа и физико-химические свойства.
- •3.6.2. Функциональные комплексы этц хлоропластов.
- •3.6.2.1. Комплекс фотосистемы II. Механизмы фотоокисления воды и выделения молекулярного кислорода.
- •3.6.2.2. Комплекс фотосистемы I.
- •3.6.2.3. Цитохромный b6f-комплекс хлоропластов.
- •3.6.3. Пластохиноны - подвижные переносчики электронов этц фотосинтеза.
- •3.6.4. Кинетические закономерности работы этц. Механизмы регуляции электронного транспорта.
- •3.6.4.1. Взаимодействие двух фотосистем в хлоропластах, механизмы координации их работы. Кратковременная и долговременная адаптация хлоропластов к условиям освещения.
- •3.6.4.2. Кинетические закономерности работы этц хлоропластов. Согласованная работа комплексов в мембране хлоропластов определяется кинетическими характеристиками реакций переноса электронов в этц.
- •3.6.4.3. Механизмы регуляции электронного транспорта.
- •3.6.4.4. Фотоингибирование. Механизмы защиты растений от фотодеструкции в условиях высоких интенсивностей света.
- •3.7. Фотоэнергетические реакции хлоропластов
- •3.7.1. Фотосинтетическое фосфорилирование. Основные типы, их физиологическое значение.
- •3.7.2. Механизм сопряжения электронного транспорта с формированием трансмембранного градиента электрохимического потенциала.
- •3.7.3. Структурно-функциональная организация и механизм работы атф-синтазного комплекса.
- •3.8. Метаболизм углерода при фотосинтезе.
- •3.8.3. Метаболизм углерода по типу толстянковых (сам-фотосинтез)
- •3.8.4. Фотодыхание.
- •3.9. Экология фотосинтеза
- •3.9.1. Влияние интенсивности и спектрального состава света на фотосинтез.
- •3.9.2. Влияние концентрации углекислого газа на фотосинтез.
- •3.9.3. Влияние температуры на фотосинтез.
- •3.9.4. Влияние водного режима на фотосинтез.
- •3.10. Фотосинтез как основа продуктивности растений
- •3.10.1. Хлоропласты – источник ассимилятов и атф.
- •3.10.2. Донорно-акцепторные взаимодействия как фактор эндогенной регуляции фотосинтеза в системе целого растения.
- •3.10.3. Теория фотосинтетической продуктивности.
- •Глава 4. Дыхание растений (Полесская о.Г.)
- •4.1. Введение
- •4.2. Биохимические пути окисления глюкозы.
- •4 2.1. Наружная и внутренняя мембраны делят митохондрии на два функциональных компартмента.
- •4.2.2. Основным субстратом дыхания у растений является глюкоза.
- •4.2.3. Гликолиз – первый этап дыхания, в ходе которого глюкоза окисляется до пирувата.
- •4.2.4. Реакции гликолиза могут идти в обратном направлении. Синтез сахаров при обращении гликолиза называется глюконеогенезом.
- •4.2.5. В цикле трикарбоновых кислот образуются восстановительные эквиваленты, атф и со2.
- •4.2.6. Особенностью растительных митохондрий является присутствие малик-энзима.
- •4.2.7. Распад глюкозы регулируется ключевыми метаболитами и подчинен комплексной системе контроля.
- •4.2.8. Между митохондриями и цитозолем существует обмен восстановительными эквивалентами и метаболитами цтк. В митохондриях пересекается обмен углеводов, белков и жиров.
- •4.2.9. Глиоксилатный цикл позволяет растениям превращать жиры в углеводы.
- •4.2.10. Глюкоза может быть окислена через окислительный пентозофосфатный цикл.
- •4.3. Электронный транспорт и синтез атф в митохондриях растений.
- •4.3.3. Комплекс II – сукцинат-убихинон-оксидоредуктаза восстанавливает убихинон при окислении сукцината до фумарата.
- •4.3.9. Растительные митохондрии содержат четыре над(ф)н-дегидрогеназы - над(ф)н-убихинон-оксидоредутазы. Они окисляют надн и надфн по обе стороны внутренней мембраны и восстанавливают убихинон.
- •4.3.10. Митохондрии растений содержат альтернативную оксидазу –убихинол-кислород оксидоредуктазу. Альтернативная оксидаза окисляет qh2 и восстанавливает о2 до воды.
- •4.4 Клетка и активные формы кислорода.
- •4.4.1. Активные формы кислорода образуются в процессе нормальной жизнедеятельности растительной клетки.
- •4.4.2. Антиоксидантные системы защищают клетку от афк. Роль аскорбата и глутатиона в нейтрализации перекиси водорода.
- •4.4.3. Афк участвуют в реакции сверхчувствительности и защищают растение при внедрении патогена.
- •4.4.4. Супероксидрадикал и перекись в низких концентрациях действуют как сигнальные молекулы.
- •4.5. Дыхание в фотосинтезирующей клетке.
- •4.6. Дыхание целого растения.
- •4.7. Заключение
- •Глава 5. Вода в жизни растений (Мейчик н.Р., Балнокин ю.В.)
- •5.1. Введение.
- •5.2. Относительное содержание воды в клетках – важный параметр водного обмена.
- •5.3. Классификация растений по их способности регулировать водный обмен.
- •5.4. Общие закономерности транспорта воды через мембраны растительных клеток.
- •5.4.1. Химический потенциал воды.
- •5.4.2. Осмотическое давление.
- •5.4.3 Осмотическое давление как функция концентраций растворенных веществ.
- •5.5.4. Водный потенциал.
- •5.4.5 Матричное давление.
- •5.5. Соотношение между осмотическим давлением и гидростатическим давлением в клетке.
- •5.6. Водные каналы мембран: аквапорины.
- •5.7. Поток воды в клетку.
- •5.8. Движение воды в целом растении.
- •5.8.1. Теория когезии и натяжения.
- •5.8.2. Движение воды в листьях и транспирация.
- •5.8.3. Движение воды по ксилеме и клеточным стенкам.
- •5.8.4. Движение воды в корне.
- •5.8.5. Движение воды из почвы в корень.
- •5.8.6. Регуляция транспорта воды в целом растении.
- •Глава 6. Минеральное питание (Алехина н.Д.)
- •6.1. Введение: Значение растений в циркуляции минеральных элементов в биосфере; особенности минерального питания растений.
- •6.2. Поглощение элементов минерального питания.
- •6.2.1. Корень - орган поглощения минеральных веществ.
- •6.2.1.1. Рост корня, как основа добывания веществ из почвы.
- •6.2.1.2. Структурно-функциональные особенности корня и поглощение веществ.
- •6.2.2. Поступление ионов из среды в клетку и корень.
- •6.2.2.1. Поступление ионов в апопласт.
- •6.2.2.2. Механизмы транспорта через мембрану.
- •6.2.3. Радиальный и дальний транспорт ионов по растению.
- •6.2.3.1. Пути радиального транспорта.
- •6.2.3.2. Движущие силы радиального транспорта ионов и загрузка ксилемы.
- •6.2.3.3. Дальний транспорт ионов.
- •6.2.4. Поглощение ионов интактным растением стационарного состояния.
- •6.2.4.1. Кинетика поглощения ионов интактным растением.
- •6.2.4.2. Модель корня и регуляция поступления ионов в интактном растении .
- •6.3. Включение в обмен веществ и функции элементов минерального питания.
- •6.3.1. Фосфор (Харитонашвили е.В.).
- •6.3.1.1. Характерные особенности фосфорного питания.
- •6.3.1.2. Основные типы фосфорсодержащих соединений.
- •6.3.1.3. Транспорт фосфата через мембраны.
- •6.3.1.4. Метаболизм фосфата.
- •6.3.1.5. Ответные реакции растительного организма на дефицит р.
- •6.3.2. Азот (Харитонашвили е.В.).
- •6.3.2.1. Формы азота, используемые растением.
- •6.3.2.2. Поглощение и усвоение нитрата.
- •6.3.2.3. Поглощение и ассимиляция аммония.
- •6.3.2.4. Интеграция азотного метаболизма на уровне целого растения.
- •6.3.3. Сера (Харитонашвили е.В.).
- •6.3.3.1. Серусодержащие органические соединения.
- •6.3.3.2. Поглощение и транспорт сульфата.
- •6.3.3.3. Ассимиляторное восстановление сульфата.
- •6.3.3.4. Глутатион и его производные.
- •6.3.4. Кальций.
- •6.3.4.2. Системы транспорта кальция.
- •6.3.5. Калий.
- •6.3.5.2. Регуляция мембранного потенциала.
- •6.3.5.3. Регуляция активности ферментов и синтез белка.
- •6.3.5.4. Осморегуляция и катионно-анионный баланс.
- •6.3.6. Движения устьиц: транспорт ионов и регуляция.
- •6.3.6.1. Откравыние устьиц.
- •6.3.6.2. Закрывание устьиц.
- •6.3.7. Хлор.
- •6.3.8. Магний.
- •6.3.9. Железо.
- •6.3.10. Медь.
- •6.3.11. Марганец.
- •6.3.12. Молибден.
- •6.3.13. Цинк.
- •Глава 7. Рост и развитие растений (Чуб в.В.)
- •7.1. Общее представление о росте и развитии.
- •7.1.1. Параметры роста.
- •7.1.2. Кривая роста.
- •7.1.3. Дифференцировка.
- •7.1.4. Тотипотентность. Терминальная дифференцировка.
- •7.1.5. Периодизация индивидуального развития.
- •7.2. Гормональная система растений.
- •7.2.1. Введение.
- •7.2.1.1. Регуляторные молекулы растений.
- •7.2.1.2. Рецепция и усиление сигнала.
- •7.2.1.3. Фосфатидил-инозитольная система вторичных мессенджеров.
- •7.2.1.4. Взаимодействие сигналов.
- •7.2.2. Ауксины – гормоны апекса побега.
- •7.2.2.1. История открытия ауксинов.
- •7.2.2.2. Биосинтез и деградация ауксинов.
- •7.2.2.3. Транспорт ауксинов.
- •7.2.2.4. Физиологические эффекты ауксинов.
- •7.2.2.5. Ауксины и неоднородность внешней среды.
- •7.2.2.6. Ауксин и плоды.
- •7.2.2.7. Ауксин как гербицид.
- •7.2.2.8. Гравитропизм.
- •7.2.3. Цитокинины –гормоны корневого апекса.
- •7.2.3.1. История открытия.
- •7.2.3.2. Биосинтез и инактивация цитокининов.
- •7.2.3.3. Эффекты цитокининов от апекса корня до апекса побега.
- •7.2.4. Взаимодействие ауксинов и цитокининов.
- •7.2.4.1. Физиологическое действие ауксинов и цитокининов в культуре in vitro.
- •7.2.4.2. Баланс между ауксинами и цитокининами в интактном растении.
- •7.2.4.3. Цитокинины и паразиты растений.
- •7.2.5. Гиббереллины – гормоны листа.
- •7.2.5.1. История открытия.
- •7.2.5.2. Биосинтез гиббереллинов.
- •7.2.5.3. Основные физиологические эффекты гиббереллинов.
- •7.2.5.4. Гиббереллины и прорастание зерна.
- •7.2.5.5. Гиббереллин и проявление пола у растений.
- •7.2.5.6. Гиббереллин и цветение растений.
- •7.2.6. Абсцизовая кислота – сигнал водного стресса.
- •7.2.6.1. Окрытие абсцизовой кислоты.
- •7.2.6.2. Биосинтез абсцизовой кислоты.
- •7.2.6.3. Передача абк-сигнала.
- •7.2.6.5. Регуляция покоя семян абк.
- •7.2.6.6. Синдром дефицита абк.
- •7.2.6.7. Абк и форма листьев.
- •7.2.7. Этилен – сигнал механического стресса.
- •7.2.7.1. Открытие физиологической роли этилена.
- •7.2.7.2. Биосинтез этилена.
- •7.2.7.3. Рецепция и передача сигнала.
- •7.2.7.4.Этилен как гормон механического стресса.
- •7.2.7.5. Этилен и прикосновение.
- •7.2.7.6. Этилен и заживление ран.
- •7.2.7.7. Регуляция листопада в умеренных широтах.
- •7.2.7.8. Формирование и созревание плодов.
- •7.2.7.9. Биотический стресс.
- •7.2.7.10. Этилен и цветение ананасов.
- •7.2.8. Другие гормональные вещества растений.
- •7.2.8.1. Брассиностероиды.
- •7.2.8.2. Жасминовая кислота.
- •7.2.8.3. Салициловая кислота.
- •7.2.8.4. Олигосахарины.
- •7.2.8.5. Короткие пептиды.
- •7.3. Рецепция световых сигналов.
- •7.3.1. Введение.
- •7.3.1.1. Принципы фоторецепции.
- •7.3.1.2. Физиологически важные области спектра. Фитохром и криптохром.
- •7.3.2. Фоторецепция в красной области спектра: фитохромная система.
- •7.3.2.1. История открытия фитохрома.
- •7.3.2.2. Фотоконверсия фитохрома. Фитохром а и фитохром в.
- •7.3.2.3. Этиоляция и деэтиоляция.
- •7.3.2.4. Избегание тени.
- •7.3.2.5. Регуляция прорастания семян.
- •7.3.2.6. Внутренние часы и фитохромная система.
- •7.3.3. Фоторецепция в синей области спектра: криптохром и фототропин.
- •7.3.3.1. История изучения фоторецепции в синей области спектра.
- •7.3.3.2. Криптохром – рецептор синего света, локализованный в ядре и цитоплазме.
- •7.3.3.3. Фототропин – мембранный рецептор синего света .
- •7.3.3.4. Суперхром – «кентавр» с головой фитохрома и туловищем фототропина.
- •7.4. Регуляция роста и развития растений.
- •7.4.1. Эндогенные факторы развития растений.
- •7.4.1.1. Образование листьев.
- •7.4.1.2. Переход к цветению.
- •7.4.1.3.Образование цветка.
- •7.4.1.4. Заключение.
- •7.4.2. Влияние внешних факторов на рост и развитие.
- •7.4.2.1. Пищевые ресурсы экотопа. Регуляция цветения элементами минерального питания.
- •7.4.2.2. Фотопериодизм и климатические факторы.
- •7.4.3. Фотопериодизм.
- •7.4.3.1. История открытия фотопериодизма.
- •7.4.3.2. Опыты м.Х.Чайлахяна.
- •7.4.3.3. Гормональная теория цветения м.Х.Чайлахяна.
- •7.4.4. Термопериодизм. Стресс-периодизм.
- •7.4.4.1. Сезонная специализация растений.
- •7.4.4.2. Термопериодизм: стратификация и яровизация.
- •7.4.4.3. Опыты м.Х.Чайлахяна.
- •7.4.4.4. Стресс-периодизм.
- •7.5. Заключение.
- •Глава 8. Растения в условиях стресса (Балнокин ю.В.)
- •8.1. Введение.
- •8.2. Водный дефицит.
- •8.2.1. Понижение водного потенциала растительных клеток как стратегия избежания обезвоживания.
- •8.2.2. Осмолиты.
- •8.2.2.1. Свойства осмолитов.
- •8.2.2.2.Функции осмолитов
- •8.2.2.3. Метаболические пути биосинтеза некоторых наиболее распространенных осмолитов.
- •8.3.2.3.1. Пролин
- •8.2.2.3.2. Глицин-бетаин
- •8.2.2.3.3. Маннитол
- •8.2.2.3.4. Пинитол
- •8.2.2.3.5. Полиамины спермидин и спермин
- •8.2.3. Белки, образующиеся в растениях в ответ на осмотический стресс
- •8.2.3.1. Lea белки
- •8.2.3.2. Шапероны и ингибиторы протеаз
- •8.2.3.3. Протеазы и убиквитины
- •8.2.3.4. Аквапорины
- •8.2.4. Белки, индуцируемые водным дефицитом, выполняют защитные и регуляторные функции.
- •8.2.5. Регуляция экспрессии генов, индуцируемых водным дефицитом.
- •8.2.5.1. Рецепция сигнала.
- •8.5.2.3. Вторичные мессенджеры
- •8.3. Солевой стресс.
- •8.3.1. Повреждающее действие солей
- •8.3.1.1. Эффекты, проявляющиеся на клеточном уровне.
- •8.3.1.2. Эффекты, проявляющиеся на уровне целого растения.
- •8.3.2. Адаптации, противодействующие осмотическому эффекту солей.
- •8.3.3. Ионное гомеостатирование цитоплазмы растительной клетки как стратегия избежания токсического действия солей
- •8.3.3.3.4. Системы экспорта Cl-, локализованные в плазматической мембране и тонопласте
- •8.3.4. Интеграция клеточных механизмов устойчивости к водному дефициту и высоким концентрациям солей в защитную систему целого растения
- •8.3.5. Регуляция генов устойчивости к NaCl
- •8.3.6. Различия между гликофитами и галофитами
- •8.4. Изменения температурных условий
- •8.4.1. Поддержание метаболической активности и структурной целостности биополимеров при изменении температурных условий
- •8.4.1.1. Компенсация температурных эффектов путем изменения свойств ферментов.
- •8.4.1.2. Компенсация температурных эффектов путем изменения внутриклеточного содержания ферментов.
- •8.4.1.3. Термофильные бактерии – модель для изучения механизмов термостабильности
- •8.4.1.4. В акклимацию растений к высоким температурам вовлечены белки теплового шока
- •8.4.1.5. Температурозависимые модификации липидного бислоя мембран.
- •8.4.1.5.1 Десатуразы жирных кислот
- •8.4.1.5.2 Ферменты, контролирующие длину углеводородных цепей жирных кислот.
- •8.4.1.6. Энергия активации ферментативных реакций, протекающих в мембранах.
- •8.4.2. Устойчивость растений к замораживанию
- •8.4.2.1. Дегидратация клеток при замораживании
- •8.4.2.1.1. Дегидратация клеток как механизм, предотвращающий внутриклеточное образование льда.
- •8.4.2.1.2. Последствия обезвоживания клеток.
- •8.4.2.2. Механизм переохлаждения
- •8.4.2.2.1. Биологические антифризы.
- •8.4.2.2.2. Анатомические барьеры.
- •8.4.2.3. В акклимацию растений к замораживанию вовлечены белки холодового шока.
- •8.4.3. Механизмы терморегуляции у растений.
- •8.4.3.1. Теплопродукция при дыхании.
- •8.4.3.2. Теплопродукция при замораживании.
- •8.5. Кислородный дефицит.
- •8.5.1. Морфологические и анатомические структуры растений, позволяющие им поддерживать аэробный обмен в условиях о2-дефицита.
- •8.5.2. Активирование анаэробного метаболизма в условиях о2-дефицита.
- •8.5.3. Акклимация растений к аноксии.
- •8.5.4. Изменения в экспрессии генов при переходе от аэробного метаболизма к гликолизу.
- •8.5.5. В процесс образования аэренхимы при o2-дефиците вовлечен растительный гормон этилен.
- •8.6. Окислительный стресс.
- •8.6.1. Повреждения биомолекул активными формами кислорода.
- •8.6.1.1. Повреждения липидов.
- •8.6.1.2. Повреждения нуклеиновых кислот.
- •8.6.1.3. Повреждения белков.
- •8.6.2. Детоксикация продуктов окислительной модификации биомолекул.
- •8.6.3. Атмосферный озон вызывает окислительный стресс в растениях.
- •Глава 9. Вторичный метаболизм (Носов а.М.)
- •9.1. Вторичные метаболиты – это низкомолекулярные соединения, обычно обладающие биологической активностью, присутствие которых в растительной клетке совсем не обязательно.
- •9.2 Структурно вторичные метаболиты часто бывают очень похожи на первичные.
- •9.3. Вторичны метаболиты могут быть классифицированы исходя из разных принципов.
- •9.4. Вторичные метаболиты представлены многими группами соединений.
- •9.5. Некоторые закономерности строения вторичных метаболитов. Модификации вторичных метаболитов.
- •9.6. Основные группы вторичных метаболитов.
- •9.6.1.Алкалоиды – азотсодержащие вторичный метаболиты.
- •9.6.2.Изопреноиды (терпеноиды).
- •9.6.3. Фенольные соединения (растительные фенолы).
- •9.6.4. Минорные группы вторичных метаболитов.
- •9.7. Биосинтез вторичных метаболитов.
- •9.8. Физиология вторичного метаболизма.
- •9.8.1. Локализация вторичных метаболитов в растении.
- •9.8.2. Изменение вторичного метаболизма в онтогенезе растений.
- •9.8.3. Функции вторичных метаболитов.
- •Глава 1. Растительная клетка (Носов а.М.) 1
- •Глава 2. Основы биоэнергетики (Полесская о.Г.) 70
- •Глава 3. Фотосинтез (Гавриленко в.Ф., Жигалова т.В.) 91
- •Глава 4. Дыхание растений (Полесская о.Г.) 187
- •Глава 5. Вода в жизни растений (Мейчик н.Р., Балнокин ю.В.) 240
- •Глава 6. Минеральное питание (Алехина н.Д.) 275
- •Глава 7. Рост и развитие растений (Чуб в.В.) 376
- •Глава 8. Растения в условиях стресса (Балнокин ю.В.) 464
- •Глава 9. Вторичный метаболизм (Носов а.М.) 541
Глава 8. Растения в условиях стресса (Балнокин ю.В.)
8.1. Введение.
Растения часто подвергаются действию стрессоров, или неблагоприятных факторов окружающей среды. При действии стрессоров наблюдаются изменения в структуре биополимеров, происходят нарушения метаболизма и физиологических функций. Наиболее ярким проявлением действия стрессоров является подавление роста и развития растений, а на уровне фитоценозов - снижение продуктивности. Стрессоры приводят к уменьшению скорости роста до уровня более низкого, чем тот, который обусловлен генетическим потенциалом растения. Можно оценить силу вредного действия различных стрессоров, если сравнить рекордные урожаи сельскохозяйственных культур со средними урожаями, рассчитанными за много лет. Если рекордный урожай принять как продуктивность культуры в идеальных условиях, то потери от стрессоров в мире составят от 65 до 87 %, в зависимости от культуры. Случается, что несколько стрессоров действуют в комбинации друг с другом и тогда их вредное действие усиливается. Например, действие засухи часто сочетается с действием высоких температур.
Стрессоры бывают биотического и абиотического происхождения. К биотическим стрессорам относятся патогены - болезнетворные грибы, бактерии и вирусы, а также растительноядные насекомые. Стрессоры абиотической природы включают недостаток влаги (засуха), экстремальные температуры (высокие и низкие), избыточное содержание ионов в почве (почвенное засоление), гипоксию (недостаток кислорода), очень высокую или очень низкую освещенность, ультрафиолетовую радиацию, высокое содержание тяжелых металлов в почве, повышенное содержание токсичных газов в атмосфере (SO2, NO2, O3) и ряд других. В данном курсе мы рассмотрим механизмы устойчивости растений к действию лишь некоторых, наиболее распространенных стрессоров абиотической природы. Под устойчивостью понимают способность растений сохранять постоянство внутренней среды (поддерживать гомеостаз) и осуществлять жизненный цикл в условиях действия стрессоров.
Растения реагируют на действие стрессоров. Ответные реакции проявляются на различных уровнях структурной и функциональной организации растительного организма. Ответы зависят от силы и продолжительности действия стрессоров, а также от скорости наступления неблагоприятных условий. Состояние, в котором находится растение под действием того или иного стрессора, называется стрессом.
Явления, которые наблюдаются в растениях при действии стрессоров, могут быть разделены на две категории: (1) Повреждения, проявляющиеся на различных уровнях структурной и функциональной организации растения. Примером может служить денатурация белковых молекул, являющаяся результатом непосредственного действия на клетки обезвоживания в условиях засухи или почвенного засоления. (2) Реакции, которые позволяют растениям приспособиться к новым стрессовым условиям. Эти реакции затрагивают изменения в экспрессии генов, метаболизме, физиологических функциях и гомеостазе. Совокупность такого рода приспособительных реакций называется акклимацией. В процессе акклимации растение приобретает устойчивость к действию стрессора. Акклимация происходит во время жизни организма и не наследуется. Вместе с тем, она осуществляется на основе тех возможностей, которые заложены в генотипе, то есть в пределах нормы реакции - наследственно обусловленной амплитуды возможных изменений в реализации генотипа. Примером акклимации являются изменения, происходящие в растении при закаливании. Некоторые растения, в частности, озимые злаки, приобретают способность переживать низкие отрицательные температуры в зимний период, так как осенью подвергаются закаливанию - действию низких положительных и близких к 0оC отрицательных температур. Биохимические изменения в тканях, происходящие осенью, придают озимым злакам способность переживать морозы. Если предшествующий осенний период был теплым, то озимые злаки зимой вымерзают.
Важную роль в устойчивости растений к действию стрессоров играют адаптации. В отличие от акклимации, адаптация является наследственно закрепленным конститутивным признаком. Она присутствует в растении независимо от того, находится, или нет, последнее в стрессовых условиях. Адаптации делают популяцию организмов приспособленной к соответствующим условиям окружающей среды. Примером адаптаций растений к засухе являются морфологические особенности суккулентов, в частности кактусов. Мясистый стебель, листья, превращенные в иголки, незначительное число устьиц, глубоко погруженных в ткань, толстая кутикула и ряд других признаков позволяют кактусам осуществлять жизненный цикл в режиме экономии влаги и таким образом выживать в условиях засушливого климата. Адаптации проявляются также на биохимическом уровне. Примером может служить биосинтез стеройдных псевдоалколойдов (гликоалкалойдов) у некоторых видов пасленовых, в частности, у картофеля, токсичных для травоядных животных и насекомых-фитофагов. Биосинтез гликоалкалойдов является конститутивным признаком этих растений, который сформировался в процессе эволюции как защита от поедания.
Защитные механизмы, как конститутивные (адаптации), так и формирующиеся в ходе акклимации, могут быть разделены на две основные категории. (1) Механизмы избежания. Они дают возможность растениям избегать действия стрессоров. Ярким примером таких механизмов является поглощение воды глубоко проникающей в грунт корневой системой растений. У некоторых ксерофитов (растений засушливых мест обитания), например, у черного саксаула, корневая система достигает в длину нескольких десятков метров, что позволяет растению использовать грунтовую воду и не испытывать недостатка влаги в условиях почвенной и атмосферной засухи. К этой же категории относятся механизмы ионного гомеостатирования цитоплазмы у растений, устойчивых к почвенному засолению. Способность поддерживать низкие концентрации Na+ и Cl- в цитоплазме при почвенном засолении создает благоприятное микроокружение для цитоплазматических биополимеров. (2) Механизмы резистентности (выносливости). Посредством этих механизмов растения, не избегая действия стрессора, переживают стрессовые условия. К этим механизмам относится, например, биосинтез нескольких изоферментов, осуществляющих катализ одной и той же реакции. Каждая из изоформ при этом обладает необходимыми каталитическими свойствами в относительно узком диапазоне некоторого параметра окружающей среды, например, температуры. Весь набор изоферментов в целом позволяет осуществлять реакцию в значительно более широком температурном диапазоне и, следовательно, приспосабливаться растению к изменяющимся температурным условиям (см. раздел 8.3.1.1.).
Изменения в метаболизме, физиологических функциях и ростовых процессах при стрессах связаны с изменениями в экспрессии генов. Ответ на действие стрессора происходит, если растение распознает его на клеточном уровне. Распознавание стрессора, т.е. рецепция сигнала, приводит к активации пути передачи сигнала. Последний поступает в геном, индуцируя или подавляя синтез тех или иных белков. Связанные с экспрессией генов ответные реакции клеток на действие стрессора, интегрируются в ответ целого растения, выражающийся, в наиболее общем случае, в ингибировании роста и развития растения и одновременно в повышении его устойчивости к действию стрессора.
Подавляющая часть клеточных механизмов устойчивости сформировалась на самых ранних этапах эволюции, поэтому защитные системы, проявляющиеся на клеточном уровне у высших растений, и защитные системы более примитивных организмов имеют общую основу. В связи с этим, исследование механизмов устойчивости к действию стрессоров у бактерий, дрожжей и одноклеточных водорослей проливает свет и на клеточные механизмы устойчивости у высших растений. Значительная часть знаний о рецепции сигнала и путях его передачи, так же как и о клеточных механизмах устойчивости в целом, исследователи получили, опираясь на базовые работы, выполненные на бактериях Esherichia coli и дрожжах Saccharomyces cerevisiae. Механизмы рецепции и пути передачи сигнала непосредственно у растений сейчас только начинают изучаться. Показано, что в регуляцию ответа растения на стрессорные воздействия вовлечены гормоны, особенно АБК, этилен и жасмоновая кислота, а также вторичные мессенджеры, среди которых важнейшую роль играет Ca2+. В ответ на действие стрессоров экспрессия некоторых генов усиливается, тогда как экспрессия других генов подавляется. Ответом часто является образование новых белков, которые не обнаруживаются в клетках в нестрессовых условиях. Функции этих белков и механизмы регуляции их индукции в настоящее время интенсивно изучаются. Хотя значительная часть исследований сфокусирована на активации траскрипции генов, данные, полученные в последнее время, показывают, что образование продуктов стрессовых генов, а также активность этих продуктов в клетках регулируется также и на посттранскрипционном уровне. К этим механизмам относятся: активация трансляции, посттрансляционная стабилизация и изменение ферментативной активности уже синтезированных белков и др.