Fiziologia_rasteny

Экспериментально можно отличить генные регуляции от ферментных, так как первые в отличие от вторых выключаются под действием ингибиторов синтеза белка и РНК (актиномицин, 6-метилпурин, пуромицин, этионин и др.).

Гормональная регуляция. Фитогормоны — соединения, с помощью которых осуществляется взаимодействие клеток, органов, тканей, эти соединения в малых количествах необходимы для регуляции физиологических и морфологических процессов. Гормоны — органические молекулы, которые образуются в тканях и органах и действуют в малых концентрациях — 10–11 моль/л и ниже. Образуясь в одной ткани, они перемещаются к другой и благодаря специфическим реакциям в ткани-мишени контролируют процессы роста, развития и дифференцировки. Выделяют пять основных классов фитогормонов: ауксин, гиббереллины, цитокинины, АБК и этилен. Сегодня к фитогормонам относят еще брассиностероиды, жасминовую, салициловую кислоты, системин, а также простагландины.

Мембранная регуляция. Мембранная регуляция хорошо прослеживается по функции мембран. Этот путь регуляции осуществляется благодаря изменениям в мембранном транспорте. Так, изменения в проницаемости мембран клеточных компартментов могут стать фактором регуляции. Примером может служить сокращение митохондриальной мембраны при повышении концентрации АТФ (примета малой потребности в энергии). В результате мембрана становится менее проницаемой и тормозится приток продуктов гликолиза в митохондриях и соответственно дальнейший синтез АТФ.

Особое место в механизмах мембранной регуляции имеет система мембранных хемо-, фото- и механорецепторов, позволяющих клетке отмечать изменения во внешней и внутренней средах и в соответствии с этим изменять свойства мембраны.

Но мембраны не только определяют обмен веществ, но и создают компартменты в клетке. Большинство клеточных ферментов встроены в мембраны, при этом каждый тип мембраны содержит свои ферменты, что обеспечивает ход соответствующих реакций. Более того, изменение проницаемости тесно связано с активностью мембранных ферментов.

Фоторегуляция. У растений существует белковая система, рецептирующая красный и дальний красный свет, — фитохромная система. Фитохром присутствует в клетке в очень малых количе- ствах, поэтому для запуска контролируемых им фотоморфогене-

52

тических реакций достаточно малой энергии. К таким реакциям относится: диэтиолирование проростков, выращенных в темноте, стимуляция прорастания некоторых семян, начало цветения и переход в состояние покоя.

Некоторые фотоморфогенетические реакции требуют большей энергии света и вызываются преимущественно синим и дальним красным светом. Эти реакции могут регулироваться фитохромом либо пигментом, поглощающим синий свет, — флавопротеидом.

В природных условиях фитохром, возможно, контролирует форму растений и прорастание семян под пологом листьев, так как листья очень сильно поглощают свет в области 660 нм, но относительно слабо — при 730 нм. Состояние фитохрома может регулировать образование и количество фитогормонов четырех типов — этилена, цитокининов, ауксина и гиббереллина — в разных органах растений. Кроме того, длительное освещение иногда контролирует уровень абсцизовой кислоты. В некоторых случаях внесение гормона снимает эффект трансформации фитохрома (например, действие гиббереллина при диэтилировании).

Остановимся еще на одной очень интересной системе регуляции — электрической èëè электрофизиологической. У растений существует разность электрических потенциалов (РЭП) как между различными тканями, органами, так и между внутренней и наружной средой клетки, при этом внутренняя среда имеет отрицательный заряд по отношению к внешней. РЭП, например, между цитоплазмой и внешней средой составляет для растительной клетки порядка от –150 до –300 мВ. На каждой биологической мембране существует РЭП, которую называют мембранным потенциалом.

Если принять толщину мембраны 10 нм (для плазмалеммы), она составляет 7,5 нм, и величину мембранного потенциала около 100 мВ, то образуется очень высокая напряженность — около 500 В. Изменение такой величины напряженности не может не влиять на мембранные структуры, активность ферментов и т. д.

Более того, около растительных клеток и отдельных органов зарегистрированы электрические токи, которые в зависимости от рассматриваемого объекта имеют величины от 0,5 до 3,0 мкА см2. Эти токи зарегистрированы для одноклеточных харовых водорослей, прорастающих пыльцевых зерен (лилия), корневых волосков, колеоптилей, гипокотилей и т. д. (рис. 1.11).

Во всех случаях биогенные электрические токи, окружающие и пронизывающие клетки, функционально очень тесно связаны с их ростом. Во всех растительных объектах околоклеточные или

53

Ðèñ. 1.11. Некоторые примеры околоклеточных (трансклеточных) электрических токов у растительных объектов:

1 — интернодальная клетка Chara с чередованием щелочных и кислых поясков; 2 — прорастающее пыльцевое зерно Lilium; 3 — первичный корень Hordeum; 4 — корневой волосок Hordeum. Стрелками показано направление движения положительных зарядов

трансклеточные токи входят в растущую часть клетки и выходят с противоположной нерастущей. Это дало возможность называть эти токи «ростовыми». В целом корне они входят в зону роста (растяжения) и выходят из нерастущих частей ризодермальных клеток зоны дифференцировки. В одном из опытов в трех из ста исследуемых волосков не были обнаружены околоклеточные токи. Оказалось, что у волосков отсутствует рост.

Но эти токи еще и индуцируют рост. Это хорошо показано на зиготе одного из видов бурой водоросли. При одностороннем освещении около зиготы регистрируются электрические токи, которые выходят из осветленного полюса и входят в затемненный. Таким образом создается электрическое поле, по которому положительные заряды двигаются внутрь клетки снизу вверх, а от-

54

рицательно заряженные везикулы аппарата Гольджи (поставляющие строительный материал для роста растяжением) — в противоположном направлении, сверху вниз. В результате в затененной нижней части возникает вырост, начинается рост растяжением.

Таким образом, освещение индуцирует ток, а ток инициирует рост, создавая ось симметрии, и тем самым задает вектор роста, его направление. Затем первое деление происходит поперек этой оси: нижняя дочерняя клетка дает начало ризоиду, верхняя — таллому (рис. 1.12).

Электрические токи не только индуцируют начало роста, они контролируют и происходящий рост. Основа этой регуляции — высокая чувствительность мембранных транспортных систем к изменению внешних и, как видно, внутренних условий.

Кроме электрических явлений в обычных условиях (в состоянии покоя) существуют, как и у животных, потенциалы действия, которые возникают при разных воздействиях на растительную клетку и организм в целом.

Трофическая регуляция — воздействие с помощью питательных веществ — наипростейший способ связи между клетками, тканями и органами.

В корни и другие гетеротрофные органы растений поступают ассимиляты, образующиеся в листьях в процессе фотосинтеза. Надземные части в свою очередь нуждаются в минеральных веществах и воде, поступающих из почвы. Корни используют на

Ðèñ. 1.12. Индукция односторонним освещением биогенных электрических токов и их связь с ростом и дифференциацией зиготы Pelvetia fastigiata:

темные точки — протонные насосы; светлые прямоугольники — катионные каналы; замкнутые стрелки — силовые линии положительного тока; пунктирная линия — место первого деления

55

собственные нужды ассимиляты, поступающие из побега, а часть трансформированных органических веществ передвигается в обратном направлении. Таким образом, осуществляется связь между их поставщиками и потребителями.

Изменения в содержании разных элементов питания влияют на обмен веществ, физиологические и морфогенетические процессы в растениях. Известно, что изменения в растительном организме обусловлены также недостатком тех или иных минеральных элементов.

Достижения молекулярной биологии и генетики открыли новые пути регуляции физиологических процессов в растительном организме. Большое значение в этом отношении имеет развитие генной инженерии, задача которой состоит в создании in vitro новых генетических структур. Большие успехи достигнуты на бактериальной клетке. В частности, с помощью рекомбинированных бактерий получен ряд ценных медицинских препаратов (интерферон и др.).

Генетическая манипуляция на растениях сложнее. Однако и здесь имеются успехи.

В основе генной инженерии лежит перенос в организм чужеродных генов и получение трансформированных (трансгенных) растений. Это, с одной стороны, позволяет изучить отдельные гены и подойти к раскрытию молекулярных основ физиологиче- ских процессов. С другой — получать растения с новыми свойствами. В частности, включать гены, способствующие повышению устойчивости к болезням, вредителям, неблагоприятным факторам среды. Так, в клетки растения табака был введен ген, ответственный за биосинтез токсина, смертельного для насекомых. В растения табака были также введены гены, делающие его устойчивым к гербицидам. В клетки растения подсолнечника были перенесены гены, кодирующие белки бобовых культур, чем повысили их пищевую полноценность.

Процесс получения трансгенных растений включает выделение конкретных генов, внедрение чужеродного гена в наследственный аппарат растительной клетки, регенерацию из отдельной клетки нормального растения с измененным геном.

К 2000 г. получено более 120 видов трансгенных растений, используемых в 13 странах. К 2007 г. трансгенные растения выращивались в промышленных масштабах в 22 странах на площади 114,3 млн га. Следует отметить, что возможность практического использования таких растений все еще дискутируется.

56

1.5. Функциональное взаимодействие различных органоидов клетки

Âхлоропласте осуществляется первичное взаимодействие света с пигментом, происходит синтез углеводов клетки из СО2 è Í2Î

èсинтезируется АТФ в процессе фотофосфорилирования и восстанавливается НАДФ .

Взаимодействие света с пигментами, синтез АТФ и восстановление НАДФ происходят в тилакоидах хлоропластов. В строме органоида осуществляются реакции цикла Кальвина и синтез крахмала из триозофосфатов через превращение части их в гексозофосфаты. Не использованные на синтез крахмала триозофосфаты потребляются на общие нужды клетки. Синтезированные в ти-

лакоидах АТФ и НАДФН, а также поступающий извне СО2 участвуют в строме в цикле Кальвина.

Таким образом, в хлоропласте из полученных извне СО2, Í2О и неорганического фосфата образуются триозофосфаты, О2 и АТФ. Интересно отметить, что фонд (пул) триозофосфатов самого хлоропласта в темноте пополняется за счет триозофосфатов гликолиза (рис. 1.13).

Неорганический фосфат поступает в хлоропласт с помощью переносчика, находящегося во внутренней мембране хлоропласта, в котором перенос фосфата в строму хлоропласта сопряжен с выходом триозофосфатов.

Âцитоплазме используются триозофосфаты хлоропластов и гликолиз на синтез сахарозы. На активность хлоропластов влияют гликолитическая фосфоглицериновая, яблочная и аспарагиновая кислоты.

Ðèñ. 1.13. Метаболические реакции в хлоропластах

57

Митохондрии осуществляют два основных процесса: цикл Кребса и окислительное фосфорилирование. Первый из них локализован в матриксе митохондрий, а система транспорта электронов и фосфорилирования находится во внутренней мембране.

Начальное соединение цикла Кребса — пировиноградная кислота — образуется в процессе гликолиза в растворимой фазе клетки, поэтому она должна проникнуть через мембраны митохондрий в матрикс. Монокарбоновые кислоты (в том числе и пируват) проходят через мембраны митохондрий довольно легко с помощью переносчика. Для транспорта неорганического фосфата, ди- и трикарбоновых кислот также имеются соответствующие транспортные механизмы.

Очень распространенной формой транспорта является обмен с участием яблочной кислоты или неорганического фосфата. Транспорт адениновых нуклеотидов через внутреннюю мембрану митохондрий также осуществляется специальным перенос- чиком.

Поскольку многие интермедиаты цикла Кребса (пируват, малат, щавелево-уксусная кислота) могут синтезироваться в цитоплазме в процессе гликолиза и в хлоропластах, то деятельность митохондрий тесно связана с функционированием этих клеточ- ных образований.

Митохондрии используют на собственные транспортные и синтетические процессы лишь часть синтезируемой АТФ; основное количество АТФ отдается на нужды клетке.

Необходимо отметить тесную взаимосвязь деятельности хлоропластов и митохондрий:

1)начальные продукты фотосинтеза и конечные продукты дыхания сходны;

2)конечные продукты фотосинтеза являются субстратами для дыхания;

3)в обоих процессах используются общие вещества для преобразования энергии — неорганический фосфат, пиридиннуклеотиды, аденилаты, триозофосфаты;

4)в обоих процессах фосфорилирование регулируется АДФ и неорганическим фосфатом.

Функционирование митохондрий и хлоропластов связано с деятельностью других органелл, в частности пероксисом. Пероксисомы вместе с хлоропластами участвуют в реакциях гликолатного пути восстановления углерода (рис. 1.14).

58

Ðèñ. 1.14. Схема гликолатного пути

Начальные и конечные этапы цикла происходят в хлоропластах; промежуточные — в пероксисомах; процессы, связанные с синтезом АТФ через образование НАДН и выделение СО2, — в митохондриях. Кислород потребляется в двух реакциях цикла: в хлоропластах при образовании фосфогликолата и в пероксисомах при окислении гликолата в глиоксилат. Поскольку на свету эти превращения ответственны за стимуляцию поглощения О2 тканями зеленых растений, они получили название фотодыхания.

Метаболические системы цитоплазмы, митохондрий и хлоропластов взаимодействуют также в механизмах поддержания постоянства рН в цитоплазме. Для этого существует три механизма:

буферные системы клетки;

биохимический «рН-стат»;

биофизический «рН-стат» (протонная помпа).

Основными буферами растительных клеток являются фосфатный и карбонатный, обнаруживающие буферные свойства при рН 5,4—6,2. В кислой области рН (3,5—5,5) проявляются буферные свойства органических кислот и их солей. Часть буферной емкости клетки определяется амино- и карбоксильными группами белков цитоплазмы (изоэлектрическая точка при рН 5,1—5,3).

59

Механизм поддержания рН с помощью биохимического «рН-ста- та» определяется установлением равновесия между реакциями карбоксилирования и декарбоксилирования в цитоплазме, имеющими различные оптимумы рН, причем величины оптимальных рН могут различаться на 0,1—0,2 единицы (рис. 1.15).

Ðèñ. 1.15. Биохимический «рН-стат»

Третий механизм — локализованные в мембранах системы активного транспорта ионов Н (или ОН–) — протонные помпы. Протонные помпы функционируют в сопрягающих мембранах митохондрий и хлоропластов (редокс- и АТФ-гидролизующие Н -помпы). Эти мембраны содержат от 2000 до 4000 молекул гидролитической помпы и 500—3000 молекул редокс-протонной помпы. Протонные помпы мембран и митохондрий выносят Н из матрикса (подкисление цитоплазмы вблизи митохондрий), Н -помпы хлоропластов на свету, наоборот, подщелачивают цитоплазму, поскольку направлены из цитоплазмы в строму. Плазмалемма эукариот содержит АТФ-гидролизующую Н -помпу, выкачивающую ионы Н из цитоплазмы в клеточную стенку. Из цитоплазмы в вакуоль направлены также Н -помпы тонопласта.

В последние годы появились экспериментальные данные о влиянии митохондрий на фотохимическую активность хлоропластов. Исследования проводились in vitro, т. е. органоиды выделялись из растительных тканей проростков гороха (митохондрии из корней, хлоропласты из листьев); анализировали происходящие процессы при их смешивании. При внесении митохондрий в суспензию хлоропластов происходило ингибирование фотофосфорилирования в хлоропластах. Показано, что эффектор, находящийся внутри клетки (вакуоль цитоплазма), обладает протекторными свойствами только по отношению к транспорту электронов, но не способен снять обусловленное митохондриями ингибирование фотофосфорилирования.

60

При хранении внутриклеточной жидкости на холоде (0—4 С) в течение 5—6 суток или при нагревании до 5 мин до 40 С активность не теряется; кипячение в течение 5 мин приводит к необратимой потере активности. Это говорит в пользу белковой природы эффектора (протектора). Этот фрагментарный пример также свидетельствует о взаимосвязанности процессов, происходящих в двух органоидах — хлоропластах и митохондриях.

Ядерно-цитоплазматические взаимодействия обеспечивают создание структуры ядра, хранение и считывание генетической информации, синтез и обновление всех белков клетки, т. е. осуществляют контроль над процессами жизнедеятельности клетки. Они точно скоординированы во времени и пространстве. Все белки синтезируются на рибосомах в цитоплазме, в которую из ядра поступают мРНК, тРНК, рРНК. Из растворимой фазы клетки и локализованных в ней органоидов в ядро поставляются белки и липиды для структур ядра и ядрышка, белки субъединиц рибосом, предшественники нуклеиновых кислот, АТФ, ГТФ, ионы. В процессах транспорта важную регулирующую роль играют поровые комплексы ядерной оболочки. В цитоплазме происходит сборка рибосом и полирибосом и осуществляется активация аминокислот, необходимых для синтеза белков.

Помимо взаимодействия с растворимой фазой цитоплазмы ядро контролирует деятельность митохондрий и хлоропластов, обладающих собственными геномами, отличающимися от ядерного. В настоящее время не вызывает сомнений, что синтез мембранных белков и других ферментных систем митохондрий и хлоропластов требует кооперативной активности ядерного генома и геномов этих органоидов. Так, ядро кодирует и обеспечивает синтез в цитоплазме 90 % митохондриальных белков. Структура митохондриальной ДНК определяется ею самой, но системы, от которых зависит функционирование этой ДНК — репликации и транскрипции, — контролируются ядром. Ядерный геном полностью отвечает за синтез ферментов матрикса и наружной мембраны митохондрий. Они синтезируются на цитоплазматических рибосомах. В то же время белки рибосом и внутренних мембран контролируются как ядерным, так и митохондриальным геномами. Предполагается, что белки, синтезируемые в цитоплазме, активируют работу митохондриальных рибосом, а продукты митохондриальной трансляции могут избирательно влиять на активность ядерного генома, определяющего синтез систем транскрипции и трансляции митохондрий.

61