юрин физиология растений

Информационная емкость хлоропластного генома значительно больше митохондриального. Как и в случае с митохондриями, синтез белковых компонентов хлоропластов находится под двойным контролем ядра и хлоропластной ДНК, взаимодействие которых обусловливает синтез белков оболочки, тилакоидов и стромы, ряда компонентов I и II фотосистем и др. Особенностью деятельности генома хлоропластов является его регуляция светом, который через систему фоторецепторов хлоропласта контролирует работу белоксинтезирующей системы. Синтез белков-рецепторов (фитохром, протохлорофиллид) может контролироваться ядром. Другим каналом регуляции является регуляция деятельности хлоропластного генома на уровне транскрипции продуктами фотосинтеза. Возможна также гормональная регуляция развития хлоропластов цитокинином.

Таким образом, можно видеть тесную взаимосвязь функционирования отдельных органоидов как между собой, так и с цитоплазмой.

1.6. Старение и смерть растительной клетки

Основу работы клетки составляет четко скоординированное функционирование всех структурных элементов. При старении происходит нарушение функций, составляющих клетку структур и процессов их регуляции.

Старение клеточных структур обусловлено следующими при- чинами:

распадом веществ, особенно белков, который идет быстрее синтеза;

снижением активности всех ферментов, кроме гидролитиче-

ñêèõ;

накоплением в клеточных стенках и вакуолях метаболиче- ски неактивных веществ;

увеличением проницаемости мембран, что приводит к снижению их селективности;

накоплением ионов кальция и уменьшением содержания калия, магния, фосфора;

изменением гормонального состава.

Изменения метаболических процессов приводят к изменению структуры и количества органелл. Так, в цитоплазме клеток ме-

62

зофилла листа уменьшается количество свободных рибосом, а рибосомы ЭР начинают синтезировать гидролазы.

Происходит накопление неспособных синтезировать белок рибосом, разрушаются хлоропласты, фрагментируется ЭР, распадается на визикулы аппарат Гольджи, а затем разрушаются и митохондрии. В процессе старения меняется и структура ядра: уменьшается количество ядрышек, происходит визикуляция ядра и разрушаются ядрышки и матрикс.

Смерть клетки — момент потери ею способности поддерживать постоянство состава своей внутренней среды, когда полностью теряется избирательная проницаемость мембран. Смерти предшествует агония. Агония (от греч. agonia — борьба) — период необратимых повреждений в клетке с сохранением некоторых функций. Для агонии характерны два типа морфологических процессов: генерализованный отек è состояние окоченения. В состоянии генерализованного отека резко увеличивается оводненность клетки и ее органелл, проницаемость мембран, ядро распадается на везикулы (пузырьки).

В клетке активирующиеся гидролитические ферменты начи- нают поступать в цитозоль из лизосом благодаря увеличенной проницаемости их мембран, что приводит к расщеплению белков и липидов и разрушению мембран. И в конечном итоге наступает автолиз.

Состояние окоченения — это морфологический тип агонии, противоположный генерализованному отеку. Для него характерны уплотнение хроматина и цитоплазмы.

Смерть растительной клетки может наступить по двум при- чинам: внезапно, в результате неблагоприятных внешних воздействий — вынужденная гибель, и по программе, определяемой онтогенезом растения, — запрограммированная гибель. В каче- стве примера смерти от внешних факторов можно привести гибель тканей после атаки патогена. Запрограммированная гибель растительных клеток происходит, например, при образовании ксилемы, созревании плодов, опадании листьев или при образовании листьев специальной формы (например, у монстеры).

По типу проявления гибель клеток подразделяется на некроз (внезапная смерть) и апоптоз (программная смерть). Их принципиальное различие заключается в характере воздействия на окружающие клетки и ткани.

При некрозе объем клетки значительно увеличивается. Изменяется проницаемость цитоплазматической и внутриклеточ-

63

ных мембран. Цитоплазма вакуолизируется. Повреждается тонопласт. Органеллы набухают и разрушаются. В дальнейшем мембраны разрываются, происходит дезинтеграция клетки. Остатки органелл лизируются. Содержимое клетки попадает в межклеточное пространство. При некрозе не активируется генетиче- ская программа.

Апоптоз «незаметен» для соседних клеток. При апоптозе происходит «разборка» клетки на составные части и отдельные вещества, которые потом можно использовать для метаболизма других клеток. Запрограммированная гибель всегда совершается по типу апоптоза, тогда как вынужденная смерть может проходить как по типу апоптоза, так и некроза. Типичный пример вынужденной гибели по типу апоптоза — смерть клеток в процессе реакции сверхчувствительности при инфекции.

Типичные признаки апоптоза: конденсация и дробление ядра, разрыв нити ДНК на олигонуклеосомные фрагменты, формирование апоптозных телец (мембранных структур, содержащих фрагменты ДНК). До образования апоптозных телец цитоплазматиче- ская мембрана остается интактной. В процессе апоптоза клетка резко уменьшается в объеме, протопласт съеживается, а мембрана приобретает складчатость. Далее разрыхляется хроматин. Уровень ядерного гетерохроматина увеличивается, и он перемещается к краям ядра. Ядерная ДНК разрывается на фрагменты длиной приблизительно 50 тыс. пар оснований. В дальнейшем такие фрагменты под действием Са2 -зависимой эндонуклеазы разрываются на олигонуклеосомные фрагменты длиной около 180 пар оснований. Апоптозные тельца с фрагментами ДНК мигрируют из центра клетки к ее периферии.

Важную роль в гибели растительных и животных клеток по типу апоптоза играют митохондрии. Под воздействием сигналов клеточной гибели во внутренней мембране митохондрий образуются поры большого размера (через них могут проходить вещества с молекулярной массой до 1,5 кДа). Это ведет к быстрой деполяризации мембраны и потере ею электрохимического потенциала. Указанные процессы приводят к набуханию митохондриального матрикса и разрыву наружной мембраны митохондрии. Высвобождаются белки межмембранного пространства митохондрий, прежде всего цитохром ñ, что составляет важный этап апоптоза. Хлоропласты также могут участвовать в непосредственном регулировании программируемой гибели растительных клеток и в запуске апопто-

64

за. Возможно участие других мембранных структур, например тонопласта.

На молекулярном уровне основным признаком апоптоза считается активация ряда протеаз, прежде всего каспаз. Каспазы представляют собой семейство эволюционно консервативных цистеиновых протеаз, которые специфически расщепляют белки по остаткам аспарагиновой кислоты. В настоящее время идентифицировано около десяти каспаз. Помимо активации каспаз у растений выявлено возрастание активности сериновой и аспарагиновой протеаз, кальпаинов (Са2 -зависимых протеаз) и убиквитинов. Протеазы образуют каскад взаимосвязанных протеолитических реакций. Они последовательно активируют друг друга, участвуют в упорядоченной передаче сигнала апоптоза, могут являться компонентами единого протеазного комплекса.

До определенной стадии процесс апоптоза обратим. После активации каспазами первого эшелона каспаз второго эшелона процесс становится необратимым. Каспазы способны к самоактивации (автокатализу или автопроцессингу) и активируют фактор фрагментации ДНК на нуклеосомные фрагменты.

Апоптоз, в отличие от некроза, есть результат запуска определенной генетической программы. Показано участие в этом процессе ряда сигнальных систем. В частности, одной из основных сигнальных систем, участвующих в индукции и разворачи- вании апоптоза, является НАДФН-оксидазная система. Многие компоненты этой системы у растительных и животных клеток близки. Мембранные белки НАДФН-оксидаз содержат Са2 -свя- зывающие области, что свидетельствует об участии в этом процессе Са2 .

Наряду с механизмами уничтожения клетки в ней есть несколько механизмов, защищающих ее от «случайного» самоунич- тожения.

Во-первых, протеазы синтезируются в клетке в неактивной форме, их процессинг происходит за счет автолиза или протеолиза другими протеазами. Каспазы синтезируются в клетке в виде прокаспазы — неактивного мономера с молекулярной массой 30—50 кДа. Активные формы являются тетрамерами, содержащими две малые и две большие субъединицы. При процессинге от прокаспазы отделяется регуляторный N-концевой домен. Оставшаяся часть молекулы разделяется на большую (20 кДа) и малую (10 кДа), после чего происходит их ассоциация с образованием активной каспазы.

65

Во-вторых, протеазы обратимо взаимодействуют с эндогенными белковыми ингибиторами, образуя неактивные комплексы. Такие комплексы описаны для цистеиновых, Са2 -зависимых и ряда других протеаз. При действии различных индукторов апоптоза происходит диссоциация неактивных комплексов «протеаза — ингибитор».

В-третьих, протеазы обычно являются компонентами специальных сигнальных систем. Путь передачи апоптозного сигнала состоит из цепочки: индукторы — рецепторы — адаптеры — каспазы первого эшелона — регуляторы — каспазы второго эшелона. Только полный набор компонентов, состоящий из рецептора, его лиганда, адаптера и прокаспазы, формирует специфичный комплекс, в котором происходит активация каспаз. Этот комплекс называется апоптосомой, èëè апоптозным шапероном.

Г л а в а 2 ФОТОСИНТЕЗ

Подобно всем другим организмам зеленые растения используют в качестве источника энергии углеводы и другие органические вещества. Однако в отличие от большинства организмов зеленые растения — автотрофы. Растения создают свою пищу сами, преобразуя химическим путем атмосферную двуокись углерода (СО2) в сахара и близкие им соединения за счет лучистой энергии солнца, поглощаемой фотосинтетическим аппаратом хлоропластов. Таким образом, растения играют в природе роль первичных продуцентов органических веществ, иными словами, им не требуется органических веществ из окружающей среды.

2.1. Сущность и значение фотосинтеза

Синтезируемые в процессе фотосинтеза сахара почти сразу преобразуются в высокополимерные соединения — крахмал, накопленный в виде крахмальных зерен в хлоропластах и лейкопластах; одновременно часть сахаров выделяется из пластид и перемещается по растению в другие места. Сахар, преобразовавшийся в крахмал, на некоторое время выходит из дальнейших метаболических реакций; однако крахмал может вновь расщепляться до сахара, который окисляется и при этом обеспечивает клетку необходимой энергией.

Когда лучи соответствующей длины волны поглощаются хлоропластом, двуокись углерода химически восстанавливается до сахаров, а газоподобный кислород выделяется в объеме, равном восстановленному СО2. Эти изменения противоположны по направлению изменениям, которые происходят в процессе дыхания. Таким образом, важная роль растений в балансе природы

67

связана и с тем, что они возвращают в атмосферу кислород, который необходим для других организмов.

Обозначив формулой (СН2О) элементарную единицу молекулы углевода (молекула глюкозы С6Í12Î6 построена из шести таких единиц), можем записать общее выражение фотосинтеза

Суммарное уравнение фотосинтеза в свое время предложил Ж.-Б. Буссенго. Этот процесс В. Пфеффер в 1887 г. назвал «фотосинтезом».

В 1842 г. Ю. Майер сформулировал закон сохранения и преобразования энергии. Не забыл он и зеленые растения. Он писал, что природа поставила своей задачей перехватить приходящий на Землю свет и преобразовать эту подвижнейшую из сил в твердую форму, сложив ее в запас. Для достижения этой цели природа покрыла земную кору растениями. Однако ученые того времени не обратили внимания на это высказывание.

Экспериментальное доказательство о том, что процесс фотосинтеза подчиняется закону сохранения и преобразования энергии, сделал К. А. Тимирязев в 1867 г. Он показал, что интенсивнее фотосинтез происходит в тех лучах, которые максимально поглощаются специальным пигментом — хлорофиллом. Поглощенная хлорофиллом энергия света дальше используется на образование органического вещества в растении и выделение О2.

Следовательно, фотосинтез — это процесс, связанный с накоплением света в растении, который собирается в органических веществах. Одновременно К. А. Тимирязев доказал ошибочность взглядов В. Пфеффера, Ю. Сакса и Г. Дрепера, которые считали, что фотосинтез интенсивнее идет в самых ярких для человеческого глаза желтых лучах, а не в тех, которые поглощаются хлорофиллом.

Таким образом, суммарное выражение фотосинтеза отражает суть процесса, который сводится к тому, что на свету в зеленом растении из очень окисленных веществ — углекислого газа и воды — синтезируются органические вещества и выделяется молекулярный О2. В ходе этого синтеза происходит преобразование лучистой энергии в энергию химических связей органических веществ.

Все компоненты системы, участвующие в фотосинтезе, содержат кислород, поэтому приведенное уравнение не говорит, откуда

68

берется выделяемый при фотосинтезе кислород: из СО2 èëè Í2О. На протяжении многих лет биологи считали, что световая энергия тратится на расщепление молекулы СО2 и перенос атома С на Н2О с образованием (СН2О). Однако наблюдение за фотосинтезирующими микроорганизмами пошатнули эти представления.

Биохимический путь у фотосинтезирующих микроорганизмов аналогичен соответствующим процессам у высших растений, но все же немного отличается от них. Так, у бактерий имеется только одна пигментная система, а не две. Кроме того, бактерии отлича- ются от зеленых растений и по природе своих хлорофиллов. Они содержат бактериохлорофилл и (или) хлоробиумхлорофилл. Фотосинтез у бактерий отличается и по природе световой стадии. У некоторых бактерий восстановитель образуется за счет части молекул АТФ, синтезируемых в световой фазе, при этом запускается обратный перенос электронов по дыхательной цепи (или по фотосинтетической цепи переноса электронов, в которой включены некоторые компоненты дыхательной цепи). У ряда бактерий процесс восстановления аналогичен растениям, с той только разницей, что в качестве конечного источника электронов используется не вода, а другие доноры электронов. Кроме того, фотосинтезирующие бактерии не выделяют О2 в качестве конечного продукта.

Например, фотосинтезирующие пурпурные бактерии используют при фотосинтезе не Н2Î, à Í2S, и в качестве побочного продукта фотосинтеза выделяют не кислород, а серу.

Во многих местах планеты важным природным источником серы служат отложения серы, образовавшиеся именно таким путем. Как видно, источник происхождения серы — только от Н2S, разлагаемого в процессе фотосинтеза. Аналогичным путем ведут себя некоторые водоросли, которых можно «приучить» использовать вместо воды газоподобный водород Н2 для восстановления СО2 äî (ÑÍ2О), т. е. до уровня углевода:

энергия

CO2 + 2H2 света (CH2O)n + H2O.

В обоих случаях световая энергия растрачивается на разложение (фотолиз) донора водорода, а восстановительная сила, генерируемая таким путем, используется для преобразования СО2

â ÑÍ2Î.

Фотосинтез происходит и в тех многочисленных организмах, которые хоть и содержат хлорофилл, но не имеют зеленого цвета, потому что их цвет определяется присутствием других пигмен-

69

тов, маскирующих хлорофилл, например бурые или красные водоросли.

Если у разных организмов существует общий механизм, то приведенные данные позволяют предполагать, что у высших растений световая энергия расходуется на разложение воды. Убедиться в том, что мысль верна, смогли тогда, когда биохимики начали использовать для изучения фотосинтеза Н2Î èëè ÑÎ2, ме- ченные тяжелыми изотопами атомы кислорода (18О). В этих опытах было показано, что выделяющийся О2 всегда соответствует по своему изотопному состоянию кислороду, который содержится в воде, а не в СО2. Вообще, фотолиз воды — это ключ ко всему процессу фотосинтеза, так как на этом этапе световая энергия используется для выполнения химической работы.

В молекуле кислорода, выделяемой при фотосинтезе у высших растений, содержится два атома О, а в молекуле воды — только один, а это значит, что в реакции должны участвовать две молекулы воды. Чтобы получить сбалансированное уравнение, которое бы правильно отражало механизм суммарной реакции, следует ввести в обе части этого уравнения еще по одной молекуле воды. Когда вода будет содержать 18О, мы получим

энергия

CO2 + 2H218O света (CH2O) + 18O2 + H2O.

Если мы пометили при помощи 18Î ÑÎ2, тогда уравнение принимает следующий вид:

энергия

C18O2 + 2H2O света (CH218O) + O2 + H218O.

Образуемый при фотосинтезе кислород выделяется из вступающей в реакцию воды, образующиеся же молекулы воды отличаются от тех двух молекул, которые принимают участие в фотосинтезе.

На рис. 2.1 приведена схема, наглядно представляющая общий ход рассматриваемой реакции.

На этой схеме видно, что световая энергия используется на разложение воды. При этом выделяется кислород и образуется «водород» (или восстановительная сила), которая тратится:

1)на восстановление СО2 до конечного продукта фотосинтеза (СН2Î);

2)на образование новой молекулы воды.

Это очень общее описание фотосинтеза, которое мы с вами будем уточнять в последующих лекциях.

70

			Квант света
			2H2O
		H	2H
	O		O
			O2
		H
	C		O
		H	2H
	O
		H

[CH2O] H2O

Ðèñ. 2.1. Схема общего хода фотосинтеза

Суммарное выражение фотосинтеза сыграло большую роль в развитии физиологии растений. Оно помогло ученым определить место фотосинтеза в жизни самих растений и существовании жизни на всей планете. Фотосинтез имеет большое значение и для самого растения. Образование органов, их рост тесно связаны с фотосинтезом. В периоды наиболее активного роста дневные приросты сухого вещества достигают от 100 до 500 кг на 1 га. При этом растение должно ассимилировать от 200 до 500 кг СО2, 1—2 кг азота, 0,25—0,5 кг фосфора, 2—4 кг калия, 2—4 кг других элементов и испарить до 1000 л воды.

Лучистая энергия до Земли доходит в форме электромагнитных колебаний разной длины волны. Около 40—45 % излучаемой Солнцем энергии приходится на область от 380 до 720 нм. Эта часть спектра воспринимается как видимый свет. Тут располагаются следующие цвета: фиолетовый, синий, голубой, зеленый, желтый, оранжевый, красный.

Пигменты хлоропластов поглощают видимый свет, поэтому эта область была названа физиологически активной радиацией (ФАР). К ФАР со стороны более коротких волн прилегает ультрафиолетовая радиация, а со стороны более длинных — инфракрасная. Инфракрасные лучи не принимают участия в фотосинтезе, но участвуют в регулировании других процессов жизнедеятельности растений. Коротковолновая радиация (ультрафиолетовая, -лучи, космиче- ские лучи), как показано, играет большую роль в мутагенезе растений, в изменении их наследственности.

Энергия, запасенная в процессе фотосинтеза за год, приблизительно в 100 раз больше энергии, образуемой при сгорании ка-

71