- •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
3.1.2. Природа основных реакций и физико-химическая сущность фотосинтеза
Процесс фотосинтеза представляет собой очень сложную систему по пространственной и временной организации. Использование высокоскоростных методов импульсного анализа позволили установить, что процесс фотосинтеза включает различные по скорости реакции от 10-15 сек (в фемтосекундном интервале времени протекают процессы поглощения и миграции энергии) до 104 сек (образование продуктов фотосинтеза). Фотосинтетический аппарат включает структуры с размерами от 10-27 м3 на низшем молекулярном уровне, до 105 м3 на уровне посевов.
Принципиальная схема фотосинтеза. Весь сложный комплекс реакций, составляющих процесс фотосинтеза, может быть представлен принципиальной схемой фотосинтеза, в которой отображены основные стадии фотосинтеза и их сущность. В современной схеме фотосинтеза можно выделить 4 стадии, которые различаются по природе и скорости реакций, а также по значению и сущности процессов, происходящих на каждой стадии.
I II III IV
Н Н Н
hν Хл Хл * (Хл)А-Д+ Е1 E2 …… En С – С – С
ОН ОН ОН
(ССК) (Реакционный центр) (ЭТЦ) (Углеродный цикл)
I стадия – физическая, включает фотофизические по природе реакции поглощения энергии, запасания ее в виде энергии электронного возбуждения и миграции в реакционный центр. Все реакции чрезвычайно быстрые и протекают со скоростью 10-15-10-9 сек. Первичные реакции поглощения энергии локализованы в свет-собирающих антенных комплексах (ССК).
II стадия – фотохимическая, реакции локализованы в реакционных центрах и протекают со скоростью 10-9сек. На этой стадии фотосинтеза энергия электронного возбуждения пигмента реакционного центра Р* используется для разделения зарядов; при этом электрон с высоким энергетическим потенциалом передается на первичный акцептор А и образующаяся система с разделенными зарядами (Р+ - А-) содержит определенное количество энергии уже в химической форме.
Происходящее в реакционном центре преобразование одного вида энергии в другой представляет собой центральное событие процесса фотосинтеза, требующее жестких условий структурной организации системы. В настоящее время молекулярные модели реакционных центров растений и бактерий в основном известны. Установлено, что они близки по структурной организации, что свидетельствует о высокой степени консервативности первичных процессов фотосинтеза.
Образующиеся на фотохимической стадии первичные продукты (Р+ А-) очень лабильны и электрон может вернуться к окисленному пигменту Р+ (процесс рекомбинации) с бесполезной потерей энергии. Поэтому необходима быстрая дальнейшая стабилизация образованных восстановленных продуктов с высоким энергетическим потенциалом, что осуществляется на следующей III стадии фотосинтеза.
III стадия включает реакции транспорта электронов в цепи переносчиков с различной величиной окислительно-восстановительного потенциала, образующих так называемую электрон-транспортную цепь (ЭТЦ). Редокс компоненты ЭТЦ организованы в хлоропластах в виде трех основных функциональных комплексов - фотосистемы I, фотосистемы II, цитохром b6f-комплекса, что обеспечивает высокую скорость электронного потока и возможность его регуляции. В результате работы ЭТЦ образуются высоковосстановленные продукты - восстановленный ферредоксин (ФДвосст.) и НАДФН, а также богатые энергией молекулы АТФ, которые используются в темновых реакциях восстановления СО2, составляющих IV стадию фотосинтеза.
IV стадия включает «темновые» реакции поглощения и восстановления углекислоты с образованием углеводов, конечных продуктов фотосинтеза, в форме которых запасается солнечная энергия, поглощенная и преобразованная в «световых» реакциях фотосинтеза. Скорость «темновых» энзиматических реакций – 10-2-104 сек.
Анализ рассмотренной выше принципиальной схемы фотосинтеза показывает, что весь ход фотосинтеза осуществляется при взаимодействии трех потоков – потока энергии, потока электронов и потока углерода. Сопряжение трех потоков требует четкой координации и регуляции составляющих их реакций. Исследование регуляторных механизмов фотосинтеза представляет собой физиологическое направление в исследовании этого процесса, связанное с изучением внутренних и внешних факторов, определяющих максимальную эффективность реакций отдельных стадий и общего процесса фотосинтеза на уровне целого растения.
Физико-химическая сущность процесса фотосинтеза. Фотосинтез можно определить как процесс преобразования электромагнитной энергии в энергию химических связей, сопровождающийся увеличением энергетического потенциала системы.
Все живые системы представляют собой термодинамически открытые системы, осуществляющие непрерывный обмен веществом и энергией с внешней средой. Для высших растений, водорослей и некоторых бактерий источником энергии является энергия солнечного излучения, при поглощении которой возрастает уровень свободной энергии (ΔF) и уровень общей энергии (ΔU), в которой значительную часть составляет электронная энергия и снижается энтропия системы (TΔS):
ΔF = ΔU – TΔS
Накопление энергии при фотосинтезе сопряжено с химической и электронной перестройкой участвующих в процессе компонентов.
В химическом отношении накопление энергии в процессе фотосинтеза связано с перестройкой химических связей. В соответствии с общим уравнением при фотосинтезе происходит разрыв связей в молекуле СО2 (О=С=О) и Н2О (Н-О-Н) и возникает иной тип химических связей (С-С, С-Н, СН2О):
ħγ
6СО2 + 6Н2О С6Н12О6 + 6О2
Разрыв связей в молекулах СО2 и Н2О требует затраты энергии (+600 ккал/моль, в расчете на СН2О). При образовании связей (в СН2О) энергия освобождается (-487 ккал/моль) и накапливается в продуктах реакции. Следовательно, необходимо ввести дополнительные ΔЕ = 113 ккал/моль, чтобы из прочных, но бедных энергией СО2 и Н2О образовался СН2О, или 686 ккал/моль для образования молекулы углевода С6Н12О6, менее стабильного, но богатого энергией соединения. Источником дополнительной энергии служит солнечная энергия, которая и накапливается в конечных продуктах фотосинтеза.
Физический смысл фотосинтеза состоит в том, что в этом процессе происходит электронная перестройка молекул. В целом фотосинтез – это окислительно-восстановительный процесс, в ходе которого электроны от воды (редокс-потенциал Н2О/О2 Ем = +0,81 В) переносятся к пиридин-нуклеотидам (редокс-потенциал НАДФ+/НАДФН Ем = –0,32 В), где электроны находятся на более высоком энергетическом уровне. Перенос электрона идет против термодинамического потенциала и требует энергии. Разность окислительно-восстановительных потенциалов окисления воды и восстановления НАДФ+ равна 1,2 В. Следовательно, для переноса одного электрона термодинамически «вверх» (против термодинамического потенциала) необходимо затратить 1,2 эВ энергии. В итоге электронной перестройки компонентов и образования восстановленных соединений (НАДФН) накапливаются электроны с высоким энергетическим потенциалом. Таким образом, в световых реакциях фотосинтеза при поглощении энергии фотонов создается мощных восходящий поток электронов против градиента термодинамического потенциала. В результате создается большой фонд богатых энергией электронов с запасом энергии 1,5 – 2 эВ. Эта редокс энергия в процессах фотосинтетического и окислительного фосфорилирования преобразуется в другие виды химической энергии (электрохимический потенциал, энергия фосфатных связей АТФ). Соединения, образующиеся в результате работы ЭТЦ, имеют высокий восстановительный потенциал (-0,43 В, -0,6 В). Создание мощного восстановительного потенциала в фотосинтезе имеет решающее значение для осуществления важнейших метаболических процессов и, прежде всего, для восстановления СО2. Образующийся восстановительный потенциал используется также для восстановления NO2-, SO32- и ряда соединений, участвующих в регуляции ферментов углеродного цикла (рис. 3.1).
Таким образом, главное значение фотосинтеза состоит в генерации электронов с высоким энергетическим и восстановительным потенциалом. Фотосинтез находится в центре энергетического и конструктивного обмена и тесно связан со всеми физиологическими функциями растительного организма.