Факультет

Студентам

Посетителям

Рост и дыхание растений

В процессе роста создаются сложные органические соединения — компоненты цитоплазмы, органоидов и оболочки клеток.

Эти соединения — белки, полисахариды, нуклеопротеиды и другие — обладают большим запасом свободной энергии, более высоким уровнем восстановленности, чем исходные продукты их образования — глюкоза, промежуточные продукты углеводного обмена, кето — и оксикислоты, аминокислоты, жирные кислоты и т. д. Поэтому в соответствии с первым законом термодинамики биосинтез сложных органических соединений требует притока энергии извне. Так, для образования полисахаридов из глюкозы необходимо 3—4 тыс. кал/моль вещества. При синтезе белков расходуется 64,1 ккал на восстановление нитратов до аммиака, 43 ккал на аминирование карбоксильных групп кетокислот, наконец, перенос аминокислоты транспортной РНК в рибосому, где непосредственно происходит образование белка, осуществляется лишь после увеличения запаса свободной энергии аминокислоты, после активации ее молекулы путем образования комплекса с АТФ.

Подобная активация молекул имеет место при синтезе жиров, фосфатидов, протопорфиринов и некоторых других соединений, когда к остаткам органических кислот — исходных продуктов этих биосинтезов, через богатую энергией тиоловую связь присоединяется КоА. Лишь после этого возможна их конденсация в более сложные соединения.

Образующаяся в процессе роста масса органического вещества упорядочена в сложной системе субклеточных структур, в основе которых лежит разделение фаз различных субстанций плазмы. Энергия поверхностного натяжения пограничных слоев разных фаз невелика. Для фазы вода — белок она составляет всего 1 эрг/см2, для фазы липоиды — вода — около 20 эрг/см2. Однако поверхность субклеточных структур достигает огромных размеров. Достаточно напомнить, что только наружная поверхность хлоропластов в 1000 раз превышает поверхность листьев. Если учесть степень развития структур внутри хлоропластов, митохондрий и других элементов клетки, то станет очевидным, что энергетические расходы на поддержание структур могут достигать ощутимых значений.

Деление клеток также связано с энергетическими затратами, которые обусловлены необходимостью синтеза макромолекулярных соединений (ДНК, РНК, белков) и движения клеточных структур во время деления. Для клеток печени показано, например, что во время митоза они расходуют 5 кал на 1 г вещества.

Определенными затратами энергии сопровождается и процесс растяжения клеточных оболочек. Вычислено, например, что для эпидермальных клеток корней пшеницы в зоне растяжения величина свободной энергии составляла около 6·10-9 кал на клетку, или около 3·10-5 кал на всю эту зону, содержащую около 5 тыс. клеток.

Наконец, поступление веществ в клетку, активное передвижение их в структурные элементы, секреция в вакуоль и другие процессы, свойственные живой клетке, в том числе растущей, характеризуются определенной энергетической потребностью, величина которой в настоящее время неизвестна.

Составление общего энергетического баланса роста пока невозможно в связи с недостаточной изученностью энергетической характеристики составляющих его процессов.

Синтез органических соединений в процессе роста — процесс эндэргонический, т. е. требующий притока энергии. Для этих целен используется энергия, выделяющаяся при дыхании в процессе окислительного распада, которая, согласно современным представлениям, фиксируется в макроэргических связях, главным образом в полифосфатной связи АТФ.

Утилизация энергии дыхания для биосинтезов — процесс в высшей степени экономичный. Так, при полном окислении глюкозы выделяется 674 ккал. Окисление глюкозы в живой клетке сопровождается образованием 36 молекул АТФ, используемых в дальнейшем в процессах синтеза. В каждой молекуле АТФ сосредоточено 7,6 ккал, т. е. для биосинтезов используется 273,6 ккал, или около 40% энергии, выделившейся при окислении глюкозы.

При действии разобщителей окислительного фосфорилирования (динитрофенола, азида, натрия) интенсивность дыхания не изменяется или даже несколько возрастает, однако высвобождающаяся энергия не фиксируется в макроэргических связях АТФ. В этих условиях рост не происходит. Открытие тормозящего действия ядов-разобщителей на рост растений явилось убедительным доказательством в пользу представления об использовании энергии дыхания для роста. Об этом же говорят старые, 1915 г., данные Дойер и недавно вышедшая работа В. Н. Жолкевича с сотрудниками, которые показали, что у молодых, интенсивно растущих Объектов (молодые проростки семян, молодые листья) только часть энергии дыхания выделяется в виде тепла. Иное положение в старых, прекративших рост частях растения: там энергия дыхания почти полностью идет на покрытие расхода энергии при теплоотдаче.

Значение дыхания для роста не ограничивается поставкой энергии. На разных ступенях окислительного распада возникает множество соединений, которые служат исходным материалом для различных биосинтезов, составляющих основу роста. Имеющиеся в настоящее время сведения относительно химизма основных биосинтезов позволили Биверсу наметить довольно определенную, хотя и не во всех деталях экспериментально проверенную картину использования промежуточных продуктов дыхания в разнообразных биосинтезах.

В том случае, когда распад глюкозы при дыхании идет гликолитическим путем, переход к окислительным превращениям осуществляется через пировиноградную кислоту. Кетоформа ппровиноградной кислоты, образующаяся в процессе гликолиза, легко дека рбоксилируется с образованием ацетальдегида, который при брожении восстанавливается с участием НАД · H2 до этилового спирта.

При дыхании ацетальдегид образует промежуточное соединение с КоА, и этом состоянии он окисляется ДПН с образованием ацетилкоэнзима А — активированной уксусной кислоты: ацетальдегид — КоА + НАД ↔ Ацетил-КоА + НАД · H2. Активированная уксусная кислота способна полимеризоваться с образованием более сложных органических соединений. Одним из них является лимонная кислота, дальнейшие превращения которой (цикл Кребса) связаны с образованием различных три — и дикарбоновых кислот. Органические кислоты, в частности щавелевоуксусная α-кетоглютаровая, превращаются в результате аминирования в соответствующие аминокислоты — аспарагиновую, глютаминовую и т. д. Сама пировиноградная кислота также способна аминироваться, превращаясь в аланин. Образующиеся аминокислоты включаются в синтез белка.

Активированная уксусная кислота связывает процесс распада глюкозы с синтезом жиров. Две молекулы ее, конденсируясь, дают ацетоуксусную кислоту, которая, восстанавливаясь, превращается в масляную кислоту. В образовании жиров принимают участие и другие промежуточные продукты распада глюкозы — триозы. Они могут превращаться в глицеринфосфорную кислоту, которая затем легко превращается в глицерин—компонент молекулы жиров («брожение Нейберга»).

В цикле Кребса превращение α-кетоглютаровой кислоты в янтарную происходит с образованием в качестве промежуточного продукта богатого энергией соединения — сукцинил-коэнзима А: α-кетоглютарат декарбоксилируется, отдает два водорода НАД, образуя альдегид янтарной кислоты. Реакция происходит в присутствии АТФ и КоА. В результате альдегид обнаруживается в связанном с КоА состоянии. Активированный (вследствие присоединения макроэргической тиоловой связи) сукцинил участвует в синтезе пиррольных ядер протопорфирина и других соединений.

При распаде глюкозы в процессе дыхания возникает шикимовая кислота.

Доказано, что она является исходным продуктом образования разнообразных ароматических соединений: полифенолов, хинонов и др. Кроме того, с шикимовой кислотой генетически связан триптофан — предшественник гетероауксина.

Установлено, что в синтезе гемицеллюлозы и целлюлозы — веществ клеточной оболочки, наряду с гексозами участвуют гексуроновые кислоты и пентозы, возникающие при анатомическом дыхании.

Роль пентоз в обмене, возможно, особенно значительна, так как они входят в состав нуклеиновых кислот. Предложена схема образования пуриновых и пиримидиновых оснований из рибозо-5-фосфата.

Таким образом, почти каждая стадия дыхания служит источником синтеза более сложных органических соединений.

Удалось обнаружить, что утилизируются в биосинтезах главным образом второй, пятый и шестой углеродные атомы глюкозы, тогда как первый, третий и четвертый в основном выводятся из организма. Известны попытки определить количественное соотношение между использованием дыхательного материала на образование CO2 и на синтез органического вещества. Так, Мензе подсчитал, что в развивающихся зародышах семян гороха примерно 40% глюкозы реутилизируется в процессах синтеза, 60% окисляется до CO2. Миль и Биверс наблюдали за реутилизацией и окислением дыхательного субстрата в активно растущих и старых, прекративших рост тканях. Авторы помещали растения кукурузы в среду с меченной по углероду пировнноградной кислотой. Проникая в растительную ткань, кислота подвергалась биологическому окислению. При этом в растущих мезокотилях 45% добавленного пирувата вовлекалось в биосинтезы, главным образом в синтез белка. В черешках старых листьев пируват полностью разрушался до CO2. Таким образом, использование промежуточных продуктов дыхания в синтетических процессах достигало наибольшей величины в растущих органах, характеризующихся интенсивным новообразованием плазмы.

Все вышеизложенное позволяет с уверенностью утверждать, что процесс дыхания имеет первостепенное значение для роста как источник энергии и исходных продуктов для синтеза органической массы. Можно поэтому ожидать, что условия, способствующие активации дыхания, должны благоприятно сказываться на течении ростовых процессов.

Действительно, экспериментально доказано, что рост возможен лишь при определенном уровне аэрации. Снижение содержания O2 в среде до 7—8% вызывает резкое снижение им тексивности дыхания, а при концентрации O2 ниже 5,25% наблюдается угнетение роста корней и проростков кукурузы. В опытах с корнями львиного зева, подсолнечника, хлопчатника, тополя, березы, дуба, сосны, ели также имело место торможение роста корней и надземных органов при низких концентрациях O2 в питательной среде. В опытах Вильямсона выращивание ряда сельскохозяйственных культур в условиях недостатка O2 в почве отрицательно сказалось на росте и продуктивности растений. При скорости диффузии кислорода ниже 5·10-8 см2/мин урожай у сорго уменьшался на 25%, у сои — на 35, у капусты — на 40, у злаков — на 65%.

Снижение интенсивности дыхания в результате воздействия специфических дыхательных ядов, блокирующих те или иные ферментные системы дыхания, зачастую сопровождается торможением роста. Оказалось, однако, что только некоторые ингибиторы, как, например, KCN, в одинаковой степени угнетают рост и дыхание. При действии других, напротив, обнаруживалось отсутствие какой-либо закономерной взаимосвязи между ростом и дыханием. Так, Говард и Клинтон, Коммонер и Тиман нашли, что йодацетат — ингибитор дегидразы фосфоглицеринового альдегида, полностью останавливает рост колеоптилей растяжением, дыхание же при этом подавляется незначительно. Ингибирующее действие тиоядов снималось кислотами цикла Кребса. Позже было установлено, что и другие тиояды (арсенит, парахлор бензоат) — ингибиторы сульфгидрильных ферментов гликолиза, цикла Кребса, пентозофосфатного цикла, лишь в небольшой степени угнетают дыхательный газообмен, хотя сильно тормозят рост.

Эти факты были истолкованы таким образом, что за течение ростовых процессов ответственна лишь какая-то часть реакции окислительного распада — так называемое ростовое дыхание, причем полагали, что в ростовом дыхании первостепенная роль принадлежит циклу Кребса и какому-то неидентифицированному ферменту, содержащему SH-группу.

Проверка экспериментальных данных Коммонера и Тимана рядом других авторов не подтвердила заключения об особой роли кислот цикла Кребса в ростовых процессах, тем не менее представление о специфическом ростовом дыхании и в настоящее время поддерживается некоторыми исследователями. Эту точку зрения разделяет, например, такой крупный специалист в области дыхания, как Биверс. Он полагает, что энергия дыхания используется на рост лишь тогда, когда она превышает уровень, необходимый для поддержки существующих клеточных структур, для сохранения имеющейся органической массы. Биверс допускает, что «основное» и «ростовое» дыхание могут осуществляться с участием разных оксидаз. Другой видный исследователь дыхания, Цайглер, напротив, считает, что нет оснований говорить о специфическом ростовом дыхании. По его мнению, для покрытия энергетической потребности процесса роста безразлично, каким путем заряжается аккумулятор энергии — система АТФ—АДФ. Важно лишь, чтобы этот процесс протекал в необходимом объеме. Следует, однако, подчеркнуть, что объем, количество энергии, аккумулируемой при дыхании, как раз зависит от путей окисления. Установлено, например, что в системе цитохромов образуется две макроэргические связи, тогда как окисление с участием металлсодержащих оксидаз не сопровождается, видимо, образованием АТФ. Кроме того, различие путей окисления означает и различие промежуточных продуктов дыхания — исходных веществ для биосинтезов, что может иметь немаловажное значение для роста.

Вернемся, однако, к вопросу о количественных взаимосвязях между ростом и дыханием, о связи между интенсивностью дыхания и активностью ростовых процессов. Большое количество работ в этом направлении проведено с растениями, рост которых ускоряли с помощью стимуляторов — ИУК и гиббереллина. Установлено, что активация роста под воздействием стимуляторов сопровождается устойчивым повышением интенсивности дыхания.

Стимулирующее влияние ИУК на дыхание некоторые авторы обнаруживали уже в первые минуты после внесения ее в питательную среду. В опытах Клиленда и Боннера было показано, что увеличение пластичности клеточных оболочек под влиянием ИУК, предшествующее их растяжению, требует притока кислорода. Динитрофенол — разобщитель окислительного фосфорилирования, по данным этих авторов, препятствовал пластификации клеточной оболочки и снимал ростовой эффект ИУК. Сведения о том, что яды-разобщители устраняют стимулирующее действие ИУК на рост, были получены и другими исследователями. Все это позволило прийти к выводу, что стимуляция роста под влиянием ИУК связана с ее действием на энергетические процессы, на образование или использование АТФ. Можно было также думать, что интенсификация дыхания под влиянием ИУК как раз и приводит к увеличению образования АТФ, необходимой для роста, и является, таким образом, причиной стимуляции роста, вызываемой ИУК.

Однако в ряде работ было показано, что динитрофенол в некоторых условиях может усиливать дыхание, хотя рост под влиянием ДНФ тормозится. Это ставило под сомнение вывод о связи действия ИУК на дыхание и рост. К тому же Бюссе и Кендлер не подтвердили наблюдавшегося некоторыми авторами усиления дыхания немедленно после обработки тканей ИУК. Они установили, что усиление дыхания при стимуляции роста ИУК не связано с первой фазой ее действия — с влиянием на увеличение пластичности клеточной оболочки, а проявляется уже позже, после того, как клетка начала расти. Таким образом, в настоящее время есть основания считать, что активация дыхания при действии ИУК является не причиной, а следствием усиления роста. Что же касается взаимосвязи ИУК и окислительного фосфорилирования, то в опытах с изолированными митохондриями различными авторами обнаружено, что ИУК не влияет на образование АТФ, ее действие сводится к изменению использования этого соединения.

Чрезвычайно интересны исследования Марре и сотрудников, которые определяли влияние ИУК на дыхание отрезков междоузлий гороха в обычном воздухе и в атмосфере с CO. В обычном воздухе ИУК стимулировала рост отрезков на 90%, интенсивность дыхания при этом возрастала примерно на 30%.

В атмосфере CO (в темноте) активирующее влияние ИУК на дыхание полностью снималось, хотя темпы роста при этом возрастали на 120% (соотношение CO/О2 = 2,7, парциальное давление O2 то же, что в нормальном воздухе — 0,21 атм).

Эти данные свидетельствуют о том, что интенсивное поглощение кислорода не является необходимым условием стимуляции роста.

Известны и другие работы, в которых не обнаружена корреляция роста и дыхания. В опытах Чосновского маннит в концентрации 0,15 М тормозил рост изолированных зародышей пшеницы, не оказывая влияния на дыхание. Только при увеличении концентрации раствора до 0,55 М наряду с торможением роста угнеталось дыхание. В работе Жапрено испытывали действие производных феноксиуксусной кислоты на прорастание семян и дыхание. Среди испытанных соединений одни ускоряли прорастание, другие подавляли, но все они стимулировали дыхание.

Отсутствие облигатного параллелизма между интенсивностью дыхательного газообмена и ростом обнаруживается и при изучении влияния температуры на эти процессы. Повышение температуры стимулирует их, однако выше определенного температурного предела рост уже тормозится, тогда как дыхание продолжает нарастать. Полагают, что это объясняется нарушением окислительного фосфорилирования при неблагоприятном температурном режиме, в результате чего дыхание, так сказать, работает на холостом ходу, энергия его не используется о процессах биосинтеза, являющихся непременным условием роста.

При изучении зависимости между интенсивностью дыхания и темпами роста, обусловленного возрастным или онтогенетическим состоянием растения, находят, напротив, прямую взаимосвязь между ростом и дыханием. Так, у зимующих растений при переходе в состояние покоя затухают ростовые процессы и одновременно снижается интенсивность дыхания. Доказано, что в почках яблонь, находящихся в состоянии зимнего покоя, интенсивность дыхания в 4—6 раз ниже, чем во время вегетативного роста.

Еще в 20-х годах было установлено, что по мере старения листьев и уменьшения их ростовой активности интенсивность дыхания снижается, возрастая лишь перед самым опадением листвы. Молодые растущие части побегов (верхушки) дышат интенсивнее, чем старые, прекратившие рост (основание).

Более тонкие исследования растущих и нерастущих частей растений с вычленением отдельных зон роста обнаруживают, однако, более сложную зависимость между ростом и дыханием.

Руланд и Рамсхорн еще в 1938 г. установили, что клетки камбия сирени и липы, а также меристем этические клетки корня этих растений слабо поглощают кислород. Низкая интенсивность дыхания меристем не всегда обнаруживается при расчете на единицу поверхности или единицу веса сырого вещества, но при пересчете на клетку, общий или белковый азот, органический фосфор или фосфор РНК оказывается, что максимальным поглощением O2 отличается зона растяжения. Эта закономерность может быть проиллюстрирована, например, графиком из работы Рамсгорна, в которой интенсивность дыхания зон роста кончиков корней гороха рассчитывали на единицу сырого веса, клетку и белковый азот клетки.

Хотя поглощение кислорода меристематическими клетками очень невелико, углекислоту они выделяют интенсивно. Таким образом, меристематическим тканям свойственен повышенный дыхательный коэффициент, характерный для процесса брожения.

В камбии и кончиках корней обнаружены небольшие количества этилового спирта и уксусного альдегида — продуктов спиртового брожения. Имеются, правда, работы, позволяющие думать, что аэробное брожение в меристемах имеет факультативный характер. Так, Мехлис не находил повышенных значений дыхательного коэффициента в меристеме корней ячменя. Берри и Норрис наблюдали нарастание дыхательного коэффициента в кончиках корней лука только при низком парциальном давлении О2 и высокой температуре (30—35°).

Многие авторы рассматривают аэробное брожение в меристемах как вынужденное, поскольку доступ O2 в клетки меристемы затруднен из-за отсутствия межклетников. Эта точка зрения обстоятельно освещена в монографии Н. В. Обручевой. Детальное исследование градиентов окислительной активности в клетках меристемы и других зон роста корней проведено в последние годы Потаповым с сотрудниками. Изучалось поглощение O2, активность ряда окислительных ферментов, а также количество и свойства митохондрий в зонах роста корней люпина. Установлено, что клетки меристемы содержат в 5—10 раз меньше митохондрий, чем клетки зоны растяжения. Кроме того, митохондрии меристематических клеток отличаются качественно: они менее активно поглощают O2, в них ниже активность цитохромоксидазы, сукцинатдегидрогеназы. Лунд с сотрудниками ранее показали, что в меристематических клетках наряду с обычными митохондриями имеются такие, которые характеризуются слабым развитием внутренних структур и, видимо, неспособны к нормальному функционированию. Таким образом, работы последних лет позволяют считать, что низкая интенсивность поглощения O2 меристемой определяется количеством митохондрий в клетках этой зоны и их качественными особенностями.

Нас, однако, интересует не столько генезис аэробного брожения, сколько сам факт наличия его в меристемах, установленный большинством исследований газообмена в зонах роста. Этот факт подтверждается также изучением путей распада глюкозы в разных частях растения.

Известно, что использование глюкозы при дыхании может идти либо путем прямого окисления в пентозофосфатном цикле, либо путем анаэробных гликолитических превращений, являющихся начальным этапом как дыхания, так и брожения. При гликолизе молекула гексозы (точнее, ее дифосфорного эфира) распадается на две молекулы фосфотриозы, превращения которых в дальнейшем, до СО2, идут совершенно одинаково. Поэтому если метить глюкозу в положениях 1 и 6, то доля участия этих атомов в образовании СО2 будет одинаковой и среди молекул СО2 соотношение С6:C1 окажется равным единице.

При пентозофосфатном (апотомическом) дыхании гексозомонофосфат, не превращаясь в дифосфат, окисляется до фосфоглюконовой кислоты, которая в ходе дальнейшего окисления превращается в рибулезо-5-фосфат и СО2. В этом случае из организма в виде CO2 раньше всего уходит С1 отношение С61 становится меньше единицы.

Таким образом, применение меченой глюкозы с учетом соотношения С61 в выделившейся при дыхании CO2 дает возможность судить о преобладании анаэробно-гликолитического либо аэробно-пентозофосфатного этапов дыхания.

Исследоваиия такого рода провели Биверс и Гибс с растениями гороха, кукурузы, томатов, подсолнечника и др. Близкие к единице значения С61 найдены только в кончиках корней. Относительно высокие значения (0,85—0,66) обнаружены в верхушках стеблей. По мере удаления от этих зон величина С61 уменьшается. Таким образом, в копчиках корней и верхушках преобладает гликолиз, с удалением от них нарастает удельный вес аэробного, пентозофосфатного пути дыхания.

В энергетическом отношении дыхание, как известно, значительно превосходит брожение. Если окисление глюкозы сопровождается выделением 674 ккал/моль, то при спиртовом брожении ее выделяется лишь 25 ккал, или в 25 раз меньше. Возникает, естественно, вопрос: не связан ли анаэробный характер катаболизма в меристемах с меньшей энергетической потребностью этих клеток?

Энергетика клеточного деления изучена совершенно недостаточно, чтобы дать ответ, основанный на прямом эксперименте. Известно, однако, что удвоение ДНК во время митоза требует затрат энергии, эквивалентной 60 макроэргическмм связям АТФ. Ряд косвенных данных также говорит о высокой энергетической потребности митоза. Как подчеркивает Н. С. Туркова, «условия, способствующие фото синтетическом у или окислительному фосфорилированного, благоприятствуют интенсивному делению клеток, высокой активности меристем. Все факторы, угнетающие энергетические процессы, недостаток света, недостаток фосфора при избытке азота, воздействие специфическими ингибиторами дыхательных ферментов, ингибиторами фосфорилирования и т. д., приводят к торможению деления клеток, уменьшая синтез ДНК».

Буллоу полагает, что в клетках, видимо, создается резервуар энергии за счет аэробных процессов до наступления митозов, который и обеспечивает энергетические потребности деления. Можно также думать, что делящиеся клетки меристем получают макроэргические соединения из прилегающих к ним тканей. На такую мысль наводят, в частности, гистохимические исследования Я. А. Дудинского. В зонах интеркалярного роста кукурузы этот автор наблюдал исключительно высокую активность цитохромоксидазы в клетках, примыкающих к меристематическим, в то время как в самой меристеме фермент не обнаруживался или активность его была очень низкой. Эта оксидаза — замыкающая в дыхательной цепи, с ее участием восстанавливается кислород воздуха. Таким образом, высокая активность цитохромоксидазы свидетельствует об интенсивном поглощении О2, интенсивном течении окислительных процессов.

Возможно, что макроэргические соединения, образующиеся в зоне активного поглощения О2, поступают в рядом расположенные меристаматические клетки и там используются в ходе клеточного деления. Относительно же того, почему клетки меристемы сами не являются воной активного биологического окисления, заслуживает внимания предположение Стерна. Этот автор высказывает мнение, что аэробные процессы в меристеме не могут развиваться из-за нарушений деятельности митохондрий, связанных с дезорганизацией органоидов клетки, особенно ядра, во время митоза.

Рассмотренные работы о взаимосвязи роста и дыхания основаны главным образом на изучении дыхательного газообмена. Совершенно очевидно, что для более глубокой характеристики особенностей дыхания в состоянии роста и покоя требуется привлечение сведений о деятельности дыхательных ферментов в этих качественно разных состояниях растительного организма.

Некоторые представления о своеобразии дыхательных систем растущих и покоящихся тканей могут быть получены на основании работ, в которых изучалась активность оксидаз в молодых растущих растениях или органах и старых, прекративших рост. Прямые определения активности ферментов и опыты с применением специфических ингибиторов отдельных ферментных систем показывают, что в молодых, растущих тканях весьма активны металлсодержащие оксидазы — полифенолоксидаза, аскорбиноксидаза, интохромоксидаза. Так, Аллен и Годдарт еще в 1938 г. установили, что молодые листья пшеницы очень чувствительны к азиду натрия, цианиду — ингибиторам металлсодержащих оксидаз, тогда как старые листья на них почти не реагируют. Такая же закономерность получена в опыте с листьями моркови. Берри и Брук нашли, что в зоне активного роста корней лука в отрезке 0—10 мм от кончика корня KCN тормозит до 50% дыхания. Иначе говоря, в активно растущей части корня около половины усваиваемого кислорода поглощается с участием металлсодержащих оксидаз. Уже в следующем отрезке (10—15 мм) KCN тормозил лишь 13% дыхания.

Повышенная активность медьсодержащих оксидаз — полифенолоксидазы и аскорбиноксидазы — в зоне активного роста стебля наблюдалась нами в опытах с этиолированными проростками гороха. У семидневных проростков в отрезке 0—10 мм от верхнего конца стебля активность полифенолоксидазы составляла 38 мг АК на 1 г сырого вещества за 30 мин, в основании стебля — всего 18 мг, активность аскорбиноксидазы — соответственно 73 и 44 мг.

При исследовании актив мости цитохромоксидазы — железосодержащей оксидазы — весьма распространенного в растительных тканях фермента, который замыкает дыхательную цепь, активируя кислород воздуха путем передачи ему электрона, многие биохимики приходят к заключению, что этот фермент свойственен главным образом молодым или активно регенерирующим тканям. Правда, у некоторых растений цитохромоксидаза новее не найдена (например, у ароидных); у других, например у капусты, она обнаружена не только в растущих, но и в старых листьях. Но по крайней мере у некоторых растений она действительно функционирует лишь в очень молодых тканях. Так, цитохромоксидаза очень активна в молодых проростках ячменя, но уже через 5—10 дней после начала прорастания она перестает участвовать в дыхании. Еще раньше — через 72 час после начала прорастания — прекращается деятельность полифенолоксидазы в зародышах семян овса.

Полагают, что по мере старения тканей функции цитохромной системы принимают на себя флавиновые ферменты. В дыхательной цепи флавопрогеиды расположены между дегидразами и системой цитохромов, являясь, таким образом, диафоразами — промежуточными переносчиками водорода и электрона. Но некоторые флавопротеиды могут служить оксидазами, реагируя непосредственно с кислородом воздуха.

Относительно биологического смысла замены цитохромоксидазы флавиновыми оксид азами можно лишь строить предположения. Можно, например, думать, что такое сокращение дыхательной цепи неблагоприятно сказывается на фиксации энергии, выделяющейся в ходе окисления субстрата, так как при этом увеличивается перепад потенциала между конечной оксидазой и системой вода — кислород. Действительно, окислительно-восстановительный потенциал цитохрома а составляет +0,29 в, системы вода — кислород +0,81 в. Таким образом, при переносе электрона на кислород через систему цитохромов возникает разность потенциалов около 0,5 в. Окислительно-восстановительный потенциал флавопротеидов исчисляется величинами →0,06—0,18 в. Следовательно, при восстановлении кислорода с участием флавиновых оксида:? скачок потенциала будет составлять около 1 в, или вдвое больше, чем при переносе электрона через систему цитохромов. Известно, что растительная клетка приспособлена к фиксации энергии, выделяющейся очень малыми порциями при .постепенном окислении. При больших перепадах потенциала энергия теряется в виде тепла. Таким образом, при замене системы цитохромов флавиновыми оксидазами возрастает вероятность потери энергии на теплоотдачу. В количественном выражении эта потеря эквивалентна разности потенциалов 0,5 а, так как перепад потенциала при замене цитохромов флавопротеидами возрастает на 0,5 о. Термодинамические расчеты показывают, что для образования одной макреэргической связи АТФ необходима разность потенциалов около 0,20 в. Следовательно, при исключении из дыхательной цепи системы цитохромов теряется возможность образования двух макроэргических связей. Это подтверждается и современными представлениями относительно этапов фосфорилирования в ходе биологического окисления, согласно которым при передаче электрона от НАД · Н2 или сукцината с участием флавопротеидов и цитохромов образуется три-четыре молекулы АТФ, из них две — в системе цитохромов.

Как видим, сокращение дыхательной цепи за счет системы цитохромов ведет к потере энергии двух макроэргических связей АТФ, возникающих в этой системе. Вполне вероятно, что более широкий состав дыхательной цепи в очень молодых, интенсивно растущих тканях вызван необходимостью более полной утилизации энергии дыхания, требующейся для процессов роста.

При обсуждении вопроса о значении разного состава оксидаз в растущих и старых тканях следует, возможно, обратить внимание и на различие конечных продуктов их деятельности. Когда кислород получает электрон от системы цитохромов, продуктом его восстановления является вода. При участии же флавиновых оксидаз образуется перекись водорода, которая может с помощью пероксидазы окислять полифенолы.

Учитывая последние данные о значении полифенолов для роста, о влиянии их на обмен ауксинов, правомерно думать, что имеется связь между деятельностью флавопротеидов, обменом полифенолов и ауксинов.

Интенсивно растущие ткани отличаются высоким содержанием аскорбиновой кислоты и сульфгидрильных соединений. Эти вещества также участвуют в дыхательной цепи, по которой электрон переходит от окисляемого субстрата к кислороду.

По нашим данным, в этиолированных проростках гороха аскорбиновая кислота и сульфгидрильные соединения сосредоточены главным образом в верхушке стебля — там, где находится конус нарастания, где интенсивно идут процессы деления клеток и дифференциации тканей. В верхней части 7-дневного проростка в отрезке длиной 10 мм содержание аскорбиновой кислоты на единицу веса сырого вещества

было в 3,5 раза, а сульфгидрильных соединений — в 9 раз больше, чем в основании проростка. Максимальное количество восстановленной аскорбиновой кислоты и сульфгидрильных соединений было найдено в молодых, только что появившихся проростках (второй день прорастания). Мы работали с этиолированным материалом, что исключало возможность синтеза аскорбиновой кислоты на свету и участия ее в процессе фотосинтеза. В этих условиях за 9 дней прорастания содержание восстановленной аскорбиновой кислоты и сульфгидрильных соединений в стеблях проростков уменьшилось примерно в три раза.

Повышенное содержание восстановленной аскорбиновой кислоты в молодых тканях отмечали ранее и другие авторы. Трецци с сотрудниками, исследуя содержание аскорбиновой кислоты и глютатиона в зонах роста корней гороха, установил, что в наибольшем количестве эти вещества находятся в меристематической зоне.

Связь содержания аскорбиновой кислоты и сульфгидрильных соединений с ростовыми процессами обнаруживается также в ряде исследований, в которых темпы роста регулировали с помощью разных факторов среды — температуры, влажности и т. д.

Значительную роль в процессах роста играют, видимо, сульфгидрильные соединения. Достаточно напомнить, что все тиояды (монойодацетат, парахлорбензоат и др.) полностью подавляют рост. Заслуживает внимания также то обстоятельство, что во время митоза в клетках резко изменяется содержание сульфгидрильных соединений, особенно глютатиона.

Глютатион может участвовать в дыхании, взаимодействуя с окисленной формой аскорбиновой кислоты. Сама аскорбиновая кислота — сильный восстановитель. С участием аскорбиноксидазы она способна восстанавливать кислород воздуха с образованием воды. Возникающая при этом дегидроаскорбнновап кислота восстанавливается за счет сульфгидрильной группы глютатиоиа.

Судя по величине потенциала окислительно-восстановительной системы глютатиона (+0,08 в), окисленный глютатион может восстанавливаться, взаимодействуя с флавопротеидами или системой сукцинат — фумарат.

Кроме того, глютатион входит в состав пиридиновых кодегидраз — начальных звеньев дыхательной цепи, отнимающих водород у субстрата окисления.

Отметим также, что глютатион способен активировать деятельность некоторых ферментов белкового обмена, образуя комплексные соединения с ионами тяжелых металлов — ингибиторами этих ферментов. Для понимания роли глютатиона в процессах роста представляет интерес сообщение Пиле о том, что активность оксидазы ИУК в молодых клетках культуры тканей моркови угнетается глютатионом. Автор полагает, что накопление ауксинов в растительных тканях связано с увеличением концентрации сульфгидрильных соединений.

Помимо глютатиона SH-группы входят в состав ряда других жизненно важных соединений. Их обнаруживают в цистеине, во многих протеолитических ферментах. SH-группа является функциональной в липоевой кислоте — коферменте оксидаз α-кетокислот. Особое значение имеет SH-группа в коэнзиме А — участнике синтеза жиров, фосфатидов, лимонной кислоты и некоторых других соединений. Здесь тиоловая связь является макроэргической. И хотя в общем метаболизме энергии ей не принадлежит такая универсальная роль, как АТФ, тем не менее она принимает определенное участие в утилизации энергии, выделяющейся при дыхании.

Участие соединений с сульфгидрильными группами в дыхании в белковом обмене объясняет в какой-то степени значение этих соединений для роста. Имеются и более конкретные данные относительно роли сульфгидрильных соединений в ростовых процессах: показано, что они оказывают влияние на ориентацию волокнистых структур делительного аппарата при митозе, так как образование линейных полимеров макромолекул ахроматинового аппарата осуществляется с участием дисульфидных связей.

Необходимо подчеркнуть, что большая часть упомянутых выше исследований дыхательных ферментов выполнена биохимическими методами, при которых для исследований отбираются органы или части органов растения, но не вычленяются отдельные зоны роста, отдельные клетки.

При этом в анализ попадают клетки разных зон, что искажает действительную картину обмена веществ в исследуемом объекте. Изучение гистохимическими методами отдельных зон роста, отдельных типов клеток может дать более верные сведения о биохимических процессах, определяющих состояние роста, в частности об особенностях дыхания в состоянии роста и покоя. Такой путь исследовании, естественно, представляет определенные методические трудности, но зато позволяет получить более объективные и достоверные результаты.

Дыхание как источник энергии и промежуточных продуктов имеет чрезвычайно важное значение для ростовых процессов. Специфика биологического окисления в растущих тканях остается недостаточно изученной. Необходимо более глубокое изучение ферментных систем дыхания на разных фазах роста, нужны значительно более полные сведения об энергетическом балансе дыхания в связи с ростом, о своеобразии использования промежуточных продуктов дыхания растениями, находящимися в состоянии роста и покоя.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.



Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: