Fiziologia_rasteny

Ðèñ. 1.8. Схематическое изображение действия гидратированного катиона ( ) на гидратацию коллоидной молекулы белка (–):

à — гидратирующее действие (золь); á — дегидратирующее действие (гель)

например хлоропластов, или измерить скорость броуновского движения); вязкость цитоплазмы в клетках корковой паренхимы бобов в 24 раза превышает вязкость воды.

Экспериментальные величины свидетельствуют о большом диапазоне изменений структурной вязкости цитоплазмы. Этот параметр — хороший показатель физиологического состояния клеток, уровня их жизнедеятельности. В структурной вязкости находит свое отражение реакция растений на изменение внешних условий (температура, освещенность, водный режим, минеральное питание). Изменения, связанные с ростом и развитием, тоже тесно связаны с изменением вязкости.

Еще одна очень важная физико-химическая величина — изоэлектрическая точка цитоплазмы (ИЭТ). Все амфолиты, какими являются и аминокислоты, способны иметь положительные и отрицательные группы (–NH2 и –СООН). Эти ионогенные группы и определяют электрические свойства белковых молекул. На заряд кислых и щелочных групп сильно влияет рН; в кислой среде аминокислоты присоединяют ион водорода, образуя положительный ион — NH3 , в щелочной диссоциирует карбоксильная группа, становясь отрицательно заряженной — СОО–. При определенной величине рН заряды выравниваются — они нейтральны. Значение рН, при котором белок имеет минимальный электрический заряд, называется изоэлектрической точкой. В растворе с рН ИЭТ белок не двигается ни к одному полюсу; в кислой среде белок движется к катоду (–), в щелочной — к аноду ( ). Этот прием, получивший название электрофореза, широко используется при разделении белков.

В ИЭТ белок имеет минимальное значение вязкости, растворимости, степени гидратизации, осмотического давления и электропроводности.

42

Если рассматривать не белок, а живую структуру (клетка, органоид и т. д.), тогда надо говорить об изоэлектрической зоне, которая включает все белки с разными ИЭТ. Размеры изоэлектриче- ской зоны и рН — существенный показатель гетерогенности белкового комплекса.

Âпроцессе роста клетки происходит не только увеличение ее размеров, но и упорядочение структуры. Гиалоплазма и отдельные органеллы беспрерывно перемещаются в клетке — происходит движение. Скорость движения цитоплазмы служит мерой активности клетки, ее функционального состояния.

Клетка должна приспосабливаться (адаптироваться) к изменениям внешней среды, т. е. сохранять основные внутриклеточ- ные процессы и структуры в условиях изменяющейся среды (гомеостаз).

Растительной клетке присуща и раздражимость (возбудимость),

ò.е. способность реагировать на действие факторов внешней или внутренней среды разнообразной природы. Эти факторы называют раздражителями.

Понятие раздражимость введено профессором университета в Кембридже Ф. Глиссоном в середине ХVII в. Клод Бернар определял раздражимость как «свойство, которым обладает всякий анатомический элемент, возбуждаться к деятельности и реагировать известным образом под влиянием возбудителей». Возбудимость — это способность клеток переходить в функционально активное состояние в ответ на действие раздражителя.

Âоснове ответных реакций организмов на воздействие окружающей среды лежит раздражимость цитоплазмы, являющаяся одним из основных свойств жизни. Для поддержания способности к реакции цитоплазма должна затрачивать энергию.

Раздражители можно подразделить на три группы:

1)физические (температурные, механические, электрические, световые, звуковые);

2)физико-химические (осмотические, реакция среды, электролитный состав, коллоидное состояние);

3)химические (гормоны, продукты обмена веществ, яды и т. д.). По физиологическому значению раздражители делят на адек-

ватные (действие раздражителей в естественных условиях, к восприятию которых система приспособлена) и неадекватные (раздражители, для восприятия которых клетки специально не приспособлены, поэтому реакции на такие воздействия могут привести к повреждениям).

43

Механизм раздражимости на уровне клетки включает в себя три компонента:

1)клеточные мембраны, через которые осуществляются ионные потоки, определяющие асимметрию в распределении ионов и отсюда мембранный потенциал;

2)рецепторы в мембранах, воспринимающие сигналы внешней среды;

3)механизмы трансформации и передачи внешних сигналов на внутриклеточные процессы.

У растений обнаружены фото-, хемо- и механорецепторы. Функциональная активность фоторецепторов обеспечивает фо-

тотаксисы, фототропизмы, фотонастии и восприятие фотопериоди- ческих сигналов. Хеморецепция позволяет растениям реагировать на аттрактанты, трофические факторы внешней среды (хемотаксисы, хемотропизмы) и на фитогормоны. Механорецепция лежит в основе таких явлений, как геотропизмы, тигмотропизмы, сейсмонастии.

Рецепция складывается из двух процессов: кодирования, т. е. преобразования внешнего стимула, и передачи кода в виде электрических или химических сигналов из рецепторной клетки другим клеткам.

Свет, звуковые колебания, гравитация и другие раздражители могут оказывать и неспецифическое действие на любую клетку, но только рецепторный белок способен кодировать определенный стимул и передавать его в виде информации.

При раздражении определенной силы в растениях, как и в животных тканях, возникает распространяющаяся волна возбуждения (потенциал действия).

Электрофизиологические процессы в клетке являются составной частью механизма раздражимости на уровне как рецепции, так и проведения раздражения.

Потенциал действия (ПД) возникает в клетках при действии местного раздражения достаточной силы и продолжительности, что приводит к изменению потоков через мембрану, вызывая бы-

струю деполяризацию мембранного потенциала. Фаза деполяризации индуцируется выходом ионов Сl– через ионные каналы, активируемые ионами Са2 . Восстановление мембранного потенциала достигается выходом из клетки ионов K .

ПД выполняет у растений сигнальные функции, включая функциональную активность растительных тканей: двигательную, секреторную, поглотительную и др. ПД обеспечивает син-

44

хронизацию физиологических процессов и взаимодействие частей в целом растении.

Таким образом, для растительной клетки присущи все свойства живой материи: обмен веществ и энергии, способность к росту и размножению, движение, раздражимость, способность приспосабливаться к внешним условиям.

Клетка является, с одной стороны, элементарной структурой многоклеточного организма, а с другой — это самостоятельный организм.

1.4. Основные принципы действия регуляторных механизмов клетки

Регуляция обеспечивает гомеостаз клетки и организма в целом, что означает сохранение постоянства параметров внутренней среды, а также создание условий для его развития (эпигенеза).

Разнообразные реакции, протекающие в организме, должны быть согласованы между собой, и их строгая упорядоченность обеспечивается только эффективной регуляцией.

В многоклеточных организмах клетки различных тканей дифференцированы в функциональном и морфологическом отношениях, хотя они и возникают из похожих друг на друга эмбриональных клеток. Поскольку функции и структура клетки определяются происходящими в ходе развития процессами обмена веществ (например, синтез хлорофилла в зеленеющих и лигнина в древеснеющих клетках), регуляция обмена веществ служит определяющим фактором направления развития клетки.

Благодаря механизмам регуляции живые существа, как и автоматические системы, характеризуются целенаправленностью; даже по отношению к неблагоприятным внешним воздействиям они способны отвечать определенными состояниями. Например, поддержанием постоянства температуры в условиях ее изменения во внешней среде, поддержанием постоянного уровня АТФ в условиях избытка даваемого извне дыхательного субстрата. Такого рода саморегуляция становится возможной благодаря принципу обратной связи; в термостате существует следующая причинная зависимость терморегуляции:

Выключатель Нагрев Температура

45

Путем включения и выключения можно от руки регулировать температуру. Однако автоматически измеряющий температуру регулятор включает и выключает нагрев в соответствии с показаниями, т. е. температура влияет на выключатель и в системе устанавливается обратная связь:

Образование и концентрация любого продукта обмена веществ в клетке определяются следующей причинной зависимостью:

Нуклеиновая кислота Фермент Продукт

Нуклеиновая кислота запускает определенным образом синтез ферментов, ферменты в свою очередь катализируют образование продуктов. В эту причинную зависимость вмешивается регулирующий фактор: внутренний (например, продукт обмена веществ) или внешний (например, питательное вещество).

Механизм обратной связи позволяет развиваться саморегуляции, когда продукт реакции влияет на всю взаимосвязанную цепь реакций или через нуклеиновые кислоты (генная регуляция) или через ферменты (ферментная регуляция):

Механизмы регуляции, замедляющие или ускоряющие реакции отдельных путей обмена веществ, связаны с переключением процесса обмена с одного пути на другой. Регулирующие факторы весьма разнообразны, включая образующиеся в обмене веществ промежуточные продукты, поступающие с пищей неорганиче- ские и органические вещества, также факторы внешней среды, такие как свет и температура.

Для многоклеточного организма системы регуляции разделяют на внутриклеточные, межклеточные и организменные.

К внутриклеточной системе относятся ферментная регуляция (на уровне ферментов), генетическая, мембранная и др. Межклеточные системы включают, по меньшей мере, гормональную, электрофизиологическую, трофическую системы.

46

На организменном уровне следует говорить об организменном уровне интеграции.

Рассмотрим следующие основные типы клеточной регуляции: метаболитную, ферментную, генетическую, мембранную, гормональную, фоторегуляцию, электрическую (электрофизиологиче- скую).

Метаболитная регуляция (регуляция путем изменения концентраций метаболитов, не затрагивающих активности или числа ферментных молекул).

Метаболитная регуляция основывается на двух главных принципах:

à) (–) x;

(+)

á) x .

а) Метаболит (õ) в качестве отрицательного эффектора тормозит свой собственный синтез (по типу обратной связи).

б) Метаболит, выполняющий роль положительного эффектора, ускоряет свое собственное преобразование (по типу управления по возмущению).

Оба принципа имеют одинаковое назначение — помешать образованию лишнего продукта.

При метаболитной регуляции на разветвлении путей обмена веществ выбор пути может определяться концентрацией общего для конкурирующих ферментов субстрата.

Высокие концентрации СО2 (как метаболита в широком смысле) стимулируют карбоксилирование, низкие — декарбоксилирование пировиноградной кислоты:

Поскольку ткани зеленых растений в течение дня испытывают недостаток СО2 (используется при фотосинтезе), а ночью обогащаются углекислотой (образуется при дыхании), то процессы карбоксилирования происходят в основном ночью.

Наилучшим примером метаболической регуляции по принципу обратной связи может служить дыхательный контроль — зависимость интенсивности дыхания от концентрации АДФ.

47

АТФ

Субстрат

Дыхание

Расход энергии

CO2

АДФ + Фн

В результате энергопотребляющих реакций (различные синтезы, поглощение веществ, рост и т. д.) концентрация АТФ уменьшается, а АДФ соответственно возрастает (АТФ АДФ Фí). Поскольку действие дыхательной цепи обязательно связано с фосфорилированием (АДФ Фí АТФ) и лимитируется количеством АДФ (дыхательное сопряжение), накопление АДФ при энергопотребляющих процессах вызывает ускорение действия дыхательной цепи и дыхательного процесса в целом и, таким образом, усиление генерации энергии в клетке. В этом случае мы сталкиваемся с исключительно экономичной формой регуляции количества доступной энергии путем «спроса».

Особое место в клетке занимают ферментные регуляции, поскольку все биохимические реакции носят ферментативный характер.

Ферментные регуляции (регуляции путем изменения активности имеющихся молекул ферментов) — регулирующие факторы, в этом случае действуют непосредственно на фермент. Однако все ферменты и соответственно этапы обмена веществ подчинены регуляторным механизмам. Наиболее эффективно регуляция выражена у ферментов, катализирующих ключевые реакции (клю- чевые ферменты), и в точках разветвления обменных процессов. Ключевые ферменты — ферменты, катализирующие самые медленные реакции в какой-либо цепи обмена веществ.

Ферментная регуляция затрагивает только один фермент, но происходит очень быстро (доли секунд) и служит для «тонкой настройки» путей обмена веществ.

Ферментная регуляция может осуществляться несколькими путями:

1.Обратимым или необратимым превращением неактивных предшественников в активные ферменты.

2.Изменением активности ферментов путем воздействия на его центры (изостерические и аллостерические эффекты, которые являются самыми важными).

3.Воздействием на процессы распада самих ферментов (например, ферменты могут попасть под атаку протеолитических ферментов).

48

Большое значение для регуляции обмена веществ имеют изостерические и аллостерические эффекты, вызываемые взаимодействием фермента с малыми молекулами (эффекторами). Эффектор может действовать на молекулу фермента или связываясь с каталитическим центром и незначительно изменяя структуру фермента (изостерический эффект), или путем изменения третич- ной структуры всей ферментной молекулы (аллостерический эффект) (рис. 1.9).

Ðèñ. 1.9. Модель механизма изостерического (á) и аллостерического (â) ингибирования:

à— фермент в активном взаимодействии с субстратом;

áè â — фермент неактивен; КИ — конкурентный ингибитор;

АИ — аллостерический ингибитор

Изостерический эффект наблюдается в том случае, когда структуры молекул эффектора регулируемого фермента и его субстрата близки, и поэтому эффектор может связываться с каталитическим центром, не претерпевая при этом никаких превращений. Таким образом, субстрат и эффектор конкурируют за молекулу фермента, и такой тип ингибирования называют конкурентным ингибированием, причем эффектор является конкурентным ингибитором.

Будучи в избытке, конкурентный ингибитор вытесняет субстрат из мест связывания с ферментом; возникающее в результате торможение активности может быть снято большим количеством субстрата. Такой зависящий от концентрации веществ антагонизм отношения «субстрат — ингибитор» также характерен для конкурентного ингибирования. Конформация ферментной молекулы при этом изменяется не больше, чем при связывании субстрата с ферментом.

Типичным примером конкурентного ингибирования является торможение сукцинатдегидрогеназы (субстрат НООС–СН2–ÑÍ2–ÑÎÎÍ)

49

малоновой кислотой (НООС–СН2–СООН), с помощью которой удается затормозить весь лимонно-кислый цикл (цикл Кребса).

Аллостерические эффекты основаны на функционировании ферментов и представляют собой полимерные белки, состоящие из идентичных полипептидных субъединиц, с аллостерическими центрами. Активность таких ферментов регулируется не их субстратами, а другими веществами, присоединяющимися к ферментам в особых участках, удаленных от активного центра. Эти вещества влияют на активность фермента, вызывая обратимое изменение в структуре активного центра. Называются такие вещества аллостерическими эффекторами. В зависимости от характера влияния, которое они оказывают, увеличивая или уменьшая сродство фермента к субстрату, эффекторы подразделяются на аллостерические активаторы (ускоряющие реакцию) и аллостерические ингибиторы (тормозящие реакцию).

Аллостерические ферменты имеют два различных типа активных центров: регуляторный и каталитический.

Схема, поясняющая работу аллостерического фермента, приведена на рис. 1.10.

Ðèñ. 1.10. Механизм аллостерического эффекта:

1 — активатор À стабилизирует более активное конформационное состояние фермента; 2 — ингибитор I стабилизирует менее активное состояние; S — субстрат

Примером аллостерического фермента может служить фосфофруктокиназа, катализирующая фосфорилирование фрукто- зо-6-фосфата с образованием фруктозо-1,6-дисфосфата. Эта реакция протекает во время гликолиза, составляющего одну из стадий процесса дыхания.

50

АТФ, если его концентрация высока, аллостерически ингибирует фосфофруктокиназу. Когда же клеточный метаболизм усиливается, а значит, расходуется АТФ и его общая концентрация падает, данный метаболический путь снова вступает в действие.

Когда конечный продукт какого-либо метаболического пути начинает накапливаться, он может действовать как аллостериче- ский ингибитор на фермент, контролирующий первый этап этого пути. При этом снижается сродство данного фермента к его субстрату и соответственно уменьшается или вовсе приостанавливается дальнейшее образование конечного продукта. Это явление — ингибирование конечным продуктом — пример регуляции по принципу обратной связи.

Генная регуляция (регуляция путем включения или выключения синтеза ферментов) — регулирующие факторы действуют на генети- ческий материал (ДНК) или непосредственный его продукт (РНК).

Генная регуляция, затрагивающая несколько ферментов одновременно, более экономична по сравнению с ферментной, поскольку ферменты, в которых нет надобности, не синтезируются. Генная регуляция занимает больше времени, так как включается трансляция, чаще всего также и транскрипция. Эта форма регуляции служит для «грубой настройки» обмена веществ и играет важную роль в процессах развития.

Физиологическая функция генов заключается в передаче информации клетке через мРНК и ферменты. Никогда не происходит одновременной передачи всей имеющейся информации, т. е. никогда не синтезируются одновременно все потенциально возможные ферменты. Таким образом, существуют одновременно активные (продуцирующие РНК) и неактивные гены. Благодаря генной регуляции осуществляется активация генов (индукция) и инактивация (репрессия); одним из самых первых, экспериментально уловимых, специфических последствий генной регуляции является появление или исчезновение того белка (фермента), синтез которого контролируется регулируемым геном (индукция и репрессия ферментов).

Для регуляции на уровне генов справедливы те же принципиальные закономерности, что и при ферментной регуляции. Активации ферментов субстратом соответствует генетическая субстратная индукция, торможению фермента конечным продуктом — репрессия генов продуктом реакции; оба механизма регуляции в равной мере запускаются метаболитами, различны лишь уровни, на которых регуляция осуществляется.

51