6.3.9. Железо

Железо относят к группе микроэлементов, и обычно с него начинают обсуж­дение их функций. В отличие от макроэлементов, которые выполняют широ­кий спектр функций «общеорганизменного» уровня, микроэлементы реализуют свои функции в конкретных процессах и реакциях, как правило, в локаль­ных клеточных структурах. Здесь микроэлементы определяют пространственную конформацию, активность некоторых ферментов или участвуют в окислитель­но-восстановительных реакциях.

В почве содержание железа больше, чем любого другого элемента, но дос­тупного железа так мало, что даже при относительно малой потребности рас­тения часто страдают от его недостатка (хлороз). При физиологических вели­чинах рН концентрация соединений трех- и двухвалентного железа ниже, чем 10^-5 мМ, и для поглощения его нужно сначала растворить. Чтобы обеспечить себя железом (концентрация в тканях составляет 10^-6 М), растения развили механизмы, позволяющие добывать Fe^3+/2+ из почвы. Эти механизмы активиру­ются в ответ на еще больший, чем обычно, дефицит Fe³⁺ и различны у двудольных и однодольных растений (рис. 6.62).

Рис. 6.62. Ответная реакция корней на дефицит железа.

Стратегия I — у двудольных и однодольных незлаковых растений (1 — активация протонной помпы; 2 — увеличение выхода восстановителей/хелаторов); ОК — органические кислоты; ред-за — индуцируемая хелатредуктаза; IRT1 (Iron reduced transporter) — транспортер Fe¹¹. Стратегия II — синтез фитосидерофоров у однодольных злаков; ФСД — фитосидерофоры; ПМ — плазма-лемма; Ув — увеличение синтеза и выхода ФСД; Тр — транспортеры комплексов металла с ФСД

У двудольных и незлаковых однодольных видов реализуется стратегия I, связанная с интенсификацией дыхания. Акти­вация дыхания корней способствует работе Н⁺-помпы (за счет увеличения дос­тупности АТФ) и обеспечивает дополнительный синтез органических кислот, которые хелатируют железо (например, лимонная кислота). Выкачивание про­тонов способствует растворению железа почвенных частиц, а вышедшие хелаторы образуют хелатные комплексы с Fe³⁺. Хелатированное Fe³⁺ восстанавлива­ется расположенной на ПМ Fe³⁺-хелатредуктазой (этот фермент, видимо, спо­собен также восстанавливать Сu²⁺ до Сu⁺). Двухвалентное железо (Fe²⁺) перено­сится через мембрану специфическим Fе²⁺-транспортером — IRT1, который, видимо, осуществляет также транспорт Мn²⁺, но Cd²⁺ подавляет его актив­ность. Перенос осуществляется одновременно с активацией Н⁺-АТФазы. Счи­тают, что именно переносчик IRT1 отвечает за поступления железа из почвы.

У однодольных злаков адаптация, обеспечивающая поглощение железа (стратегия II), связана с синтезом специальных хелатирующих веществ — фитосидерофоров. Фитосидерофоры — низкомолекулярные соединения, от­носящиеся к непротеиногенным аминокислотам, — синтезируются (в ответ на дефицит железа) из метионина с образованием на первом этапе никотинамина, который затем превращается в мугеновую кислоту. Последняя является хелатором железа. Железо (Fe³⁺) в составе комплекса переносится специфи­ческой, пока неохарактеризованной транспортной системой. Никотинамин также может быть хелатором, принимающим участие в транспорте металлов по механизму стратегии II. Кроме того, комплекс металла с никотинамином может участвовать в дальнейшем транспорте Сu, Zn по ксилеме и Сu, Zn, Fe²⁺ — по флоэме.

Дефицит железа вызывает также изменения морфологии корней, индуци­руя рост корневых волосков, которые обильно покрывают поверхность корня. Это способствует лучшему контакту с почвой и почвенным раствором, увели­чивая поглощение железа (см. подразд. 6.2.1.1).

В клетках железо находится либо в комплексе с тетрапирольным кольцом (гемопротеины), либо в комплексе с сульфидной серой многочисленных же­лезо-серных белков. И те и другие соединения железа входят в состав фермен­тов ЭТЦ дыхания и фотосинтеза (см. гл. 2, 3, 4). Железогемопрбтеины в сумме составляют до 8,5 % от общего белка клетки. К гемопротеинам относятся пероксидаза и каталаза, связанные с антиоксидантной защитой (см. гл. 3). Пероксидаза участвует также в синтезе лигнина. Лег-гемоглобин связывает кислород и служит защитным барьером от его проникновения в клубеньки бобовых, поскольку О₂ инактивирует нитрогеназу, фиксирующую N₂.

Первым из белков, содержащих негеминовое железо, был открыт ферредоксин. В хлоропласте этот железосерный белок является донором электронов для НАДФ оксидоредуктазы, ферментов сульфитредуктазы и нитритредуктазы (у двух последних ферментов простетической группой является Fe-содержащий сирогем) (см. рис. 6.42 и 6.49). Соотношение Fe и S в кластере железосер-ных белков может различаться и составлять 2Fe—2S, как у ферредоксина, или 4Fe—4S, как у многих других ферментов (см. гл. 2).

К железосерным белкам помимо белков ЭТЦ хлоропластов и митохондрий относятся аконитаза, ксантиноксидаза, липоксигеназа, нитрогеназа и ключе­вой фермент азотного обмена — нитратредуктаза. В сумме железо белков, свя­занное с серой, составляет 18,5 % общего содержания железа; на митохондриальные комплексы приходится 9 %, на ферредоксин 2,5 %. Одна из супероксиддисмутаз (СОД), присутствующая в хлоропласте, также включает Fe.

Запасной формой железа в растительной клетке является ферритин — мно­гомерный белок, состоящий из 24 полипептидов. Отдельные полипептиды пред­ставляют собой полые сферы, разграничивающие внутреннюю полость чет­вертичной структуры ферритина, которая заполнена железом (Fe₂O₃•nН₂О). Каждая молекула может запасать до 4500 атомов железа в растворимой, неток­сичной и доступной форме. Основная масса ферритина находится в строме хлоропласта. В целом до 60 % железа, содержащегося в листе, приходится на хлоропласты.