Физиология растений

Ядерная оболочка состоит из двух мембран толщиной около 7 нм каждая и разделенных между собой  перинуклеарным пространством шириной 20—30 им. Внешняя мембрана на поверхности имеет сложную складчатую структуру, местами соединенную с эпдоплазматической сетью. На внешней мембране расположено большое количество рибосом. Внутренняя мембрана может давать внячпвания. Перину-клеарное пространство заполнено жидкостью типа сыворотки — эн-хилемой. Ядерная оболочка имеет поры. На 1 мкм² ядерной оболочки насчитывается от 10 до 100 пор диаметром около 20 нм. Поры — сложное образование; они имеют форму часового стекла, которое окружено как бы ободком. Ободок, по-видимому, состоит из отдельных гранул. В центре поры расположена центральная гранула, соединенная нитями с гранулами ободка. Поры ядра — динамичные образования, они могут открываться и закрываться. Таким путем может осуществляться регуляция обмена между ядром и цитоплазмой. Внутреннее строение ядра меняется в зависимости от его состояния. Различают два периода жизни ядра: метаболический (между делениями) и период деления. В метаболический период интерфазное ядро заполнено ядерным соком — нуклеоплазмой — и переплетенными скрученными хроматиновыми нитями. Кроме нитей, в ядре можно наблюдать глыбки хроматина. Хроматииовые нити состоят из ДНК и белков, гистоновых и иегистоновых, небольшого количества РНК и линидов. Белки реагируют с ДНК, образуя дезоксинуклеопротеиды (ДНП). Возможно, что не вся ДНК хроматина связана с белками. В интерфазном ядре имеется также одно или несколько сферических гранул-ядрышек. Вещество ядрышка состоит из сильно переплетенных нитей — нуклеонемы — и содержит около 80% белка, 10—15% РНК и некоторое количество ДНК. В ядрышке именотся рибосомы. Основная функция ядрышка состоит в том, что в нем синтезируются ядерные белки. Возможно также, в ядрышке синтезируются и специфические рибосомальные белки. Имеются данные, что и самосборка рибосом происходит в ядрышке. Разрушение ядрышка, например, с помощью ультрафиолетового облучения приводит к тому, что ядро теряет способность переходить к делению. Вместе с тем в период самого деления ядрышко исчезает и вновь возникает к концу деления. Образование ядрышка происходит за счет веществ нуклеоплаз-мы в контакте с одной из хромосом (ядрышковой).

Характерной чертой метаболического  периода является процесс самовоспроизведения (удвоения) молекул ДНК. Лишь после  удвоения молекул ДНК ядро переходит к делению. Упорядоченное деление ядра носит название митоза. При переходе к делению ядрышко исчезает, ядерная оболочка распадается на отдельные фрагменты, а хроматииовые нити уплотняются и образуют особые тельца — хромосомы.

Форма хромосом разнообразна и специфична для данного вида организмов. Длина хромосом достигает 20 мкм. В период профазы хромосомы состоят из двух продольных половинок — хроматид. В свою очередь, каждая хроматида состоит из нитей — хромонем, расположенных параллельно продольной оси хромосомы. Основу хро-монемных нитей составляет одна или несколько нитей ДНК, связанных с белками. Количество нитей ДНК, а также взаиморасположение ДНК и белков в хромосомах до настоящего времени не ясно. Хромосомы дифференцированы по длине; в отдельных участках хромосом (локусах) расположены определенные гены, несущие информацию, соответствующую образованию одного белка.

Известно, что каждый вид имеет  свое постоянное число хромосом. Так, диплоидный набор хромосом для риса равен 14,    фасоли — 22, кукурузы — 20. :В настоящее время пе вызывает сомнения, что в передаче наследственных свойств от материнской клетки к дочерней основная роль принадлежит хромосомам. Сущность митоза и заключается в равномерном распределении наследственного вещества между двумя образовавшимися клетками.

МОЛЕКУЛЯРНЫЕ  ОСНОВЫ ХРАНЕНИЯ И РЕАЛИЗАЦИИ НАСЛЕДСТВЕННОЙ ИНФОРМАЦИИ

Раскрытие роли ДНК в передаче наследственных свойств представляется одним из основных достижений современной биологии. Перечислим основные факты, подтверждающие, что именно это соединение является носителем наследственной информации. 1. Содержание ДНК во всех соматических клетках данного организма одинаково. В половых клетках содержание ДНК в два раза меньше, чем в соматических. 2. Большая часть ДНК содержится в ядре и локализована в хромосомах. 3. ДНК представляет собой очень устойчивое соединение. Вместе с тем воздействия, которые вызывают изменения в структуре ДНК (некоторые химические вещества, облучение и др.), изменяют наследуемые признаки организма. 4. ДНК — единственное из известных веществ, способное к самовоспроизведению. 5. Каждый вид организмов имеет свою специфичную ДНК. 6. ДНК ответственна за изменение (трансформацию) организмов. Это было доказано Звери (1944) на эксперименте с двумя формами бактерий (пневмококков). Одна из них обладала способностью образовывать капсулу и вызывать заболевание. Вторая форма не образовывала капсулы и пе вызывала заболевания. Оказалось, что после проникновения ДНК, выделенной из вирулентных (вызывающих заболевание) клеток, некоторое количество клеток невирулентной формы образовало капсулу, причем эта способность передавалась по наследству. Естественно, на целых организмах высших растений такие опыты провести сложнее. Имеются лишь единичные результаты. Так была взята чистая линия растения петуньи с цветками белого цвета. Это был мутант, потерявший способность образовывать антоциан. Проростки этого растения обработали ДНК, выделенной из растения с красными цветками. Некоторые из обработанных растений приобрели способность к образованию антоциана. Цветки оказались розовыми, и эта способность передавалась по наследству. Опыты с высшими организмами единичны, однако сам факт возможности трансформации организмов с помощью чужеродной ДНК не вызывает сомнений.

Все указанные исследования полностью доказали уникальную роль ДНК в передаче наследственных свойств. Наряду с ядерной имеется цитоплазматическая наследственность, которая связана с ДНК, локализованной в органеллах. Однако механизм цитоплазмати-ческой наследственности изучен еще очень слабо. Количество ДНК в ядре во много раз превышает количество цитонлазматической ДНК.

ДНК — это полимер, мономерами которого являются дезоксири-бонуклеотиды. В  их состав входят углевод дезоксирибоза, фосфорная кислота и азотистые  основания четырех типов: два  пуриновых — аде-нин и гуанин и два пиримидиновых — тимин и цитозин.

Приблизительные определения показывают, что молекулярная масса ДНК достигает величины 10⁶—10⁹, т. е. около 100 млн. Основные 
представления о структуре ДНК были сформулированы в 1953 г.Уотсоном и Криком. Молекула ДНК состоит из двух полинуклеотидных цепочек, скрепленных между собой водородными связями. Каркас полинуклеотидных цепочек, входящих в состав ДНК, представляет чередование дезоксирибозы и фосфорной кислоты. Азотистые основания, противостоящие друг другу в полинуклеотидных цепочках, парны, или комплемеитарны. Пуриновому основанию соответствует пиримидиновое, аденину — имин, гуанину — цитозин. Между аденином и тимином образуются две, а между гуанином и цитозипом 
три водородные связи. Таким образом, две полинуклеотидные цепочки, входящие в состав ДНК, соответственны, или комплементарны, друг другу, число пуриновых оснований равно числу пиримидиновых (правило Чаргаффа). У каждой цепочки молекулы ДНК имеются дваконца: один конец заканчивается пятым, а другой — третьим углеродным атомами пентозы(они обозначаются 3'- и 5'-конец). Цепочки,составляющие молекулы ДНК, антипараллельны. В одной цепочкенуклеотиды связаны в направлении 5'3', а в другой — 3'5'. Полинуклеотидные цепочки имеют общую ось и образуют двойную спираль. Каждый виток спирали включает 10 пар азотистых оснований.Шаг спирали составляет 3,4 им, ширина спирали — 2 нм, длина спирали — несколько десятков тысяч нанометров. Специфичность ДНКопределяется последовательностью азотистых оснований в ее цепочке. Рассмотренная модель позволяет объяснить важнейшее свойствоДНК — способность к самовоспроизведению. Опыты Месельсона иСталя (1958) показали, что самовоспроизведение ДНК происходитполукопсервативным способом. В этих опытах несколько поколенийбактерий кишечной палочки (Escherichia coli) выращивали на среде,содержащей меченый азот (¹⁵N). Через несколько поколений ДНК,входящая в состав клеток бактерий, содержала этот изотоп. Включение ¹⁵N в ДНК повысило ее плотность (тяжелая ДНК). Клетки, содержащие тяжелую ДНК, помещали на среду, включающую ^l4N. После удвоения клеток, т. е. в первом поколениии, вся выделенная ДНКоказалась полутяжелой (одна половина содержала ^l5N, а другая половина ¹⁴N). На основании этого была создана схема воспроизведепияДНК, согласно которой в определенный момент жизни клетки цепоч 
ки ДНК расходятся и на каждой материнской, как на матрице, извеществ клетки строится соответственная (комплементарная) дочерняя цепочка (рис. 12). Образование полинуклеотидных цепочек ДНКпроисходит из трифосфонуклеотпдов, находящихся в нуклеоплазмеядра. Поскольку вновь образованная цепочка ДНК связываетсяДНК-матрицей, реакция практически осуществляется лишь в направлении синтеза. Синтез ДНК идет от 5' >-3'- концу и катализируется  специальными ферментами. Главнейший из них  ДНК-полимераза. Кроме ДНК-полимеразы, открыты еще два фермента эидо-нуклеаза и ДНК-лигаза. По-видимому, фермент эидонуклеаза разрывает цепи ДНК, что дает возможность ДНК-полимеразе осуществлять процесс синтеза. Роль ДНК-лигазы в том, что она осуществляет сшивку двух концов цепочки ДНК. Это имеет важное значение, особенно при повреждениях ДНК (репарационный эффект).

1. НАСЛЕДСТВЕННЫЙ  КОД

В основе всех признаков организма  лежат определенные биохимические процессы, которые осуществляются с помощью определенных ферментов. Таким образом, именно набор специфических белков-ферментов определяет направленность процессов обмена веществ и в конечном счете индивидуальные признаки организма. Разнообразие органического мира — это разнообразие белков. Исследования показали, что синтез белка носит матричный характер. Сами по себе аминокислоты соединиться в полипептидпую цепочку не могут. Для этого необходим шаблон — матрица.  Матрица  определяет    возмож- ность создания полипептидной цепочки, а также ее специфичность (последовательность аминокислот). Матрицей для синтеза белка служит нуклеиновая кислота. Последовательность аминокислот в белке (а следовательно, его специфика) определяется последовательностью азотистых оснований в нуклеиновой кислоте (матрице). Ниренберг и Маттеи (1961) выделили из клеток фракцию рибосом и в бескле-точной системе в присутствии ферментов, нуклеиновой кислоты и набора аминокислот осуществили синтез белка. При этом была взята полиурациловая РНК, содержащая в качестве азотистого основания только один урацил. Оказалось, что, несмотря на присутствие в среде 20 аминокислот, синтезированная полипептидная цепочка состояла нз повторяющихся остатков лишь одной из них, а именно фенилала-нина. Таким образом, повторяющаяся последовательность азотистого основания урацила кодирует аминокислоту фенилаланин. Отсюда было сделано заключение, что порядок оснований в нуклеиновой кислоте определяет порядок аминокислот в белке. Из поколения в поколение передается план построения белковых молекул, который записан в молекулах ДНК. Однако разнообразие ДНК определяется последова тельностью четырех азотистых оснований, тогда как разнообразие белка — последовательностью 20 аминокислот. Следовательно, запись информации о построении белковых молекул должна быть каким-то образом закодирована в молекулах ДНК. Действительно, генетическая информация записана в химическом коде, составленном из четырех букв. Роль этого кода в том, что он определяет особую структуру белков, специфических для данного организма.

Исследования Крика показали, что  наследственный код триплет-ный. В  опытах, проведенных на бактериофаге воздействием различных химических веществ вызывалось выпадение пуклеотидов в молекуле ДНК. Оказалось, что при выпадении одного или двух пуклеотидов образуются белки с нарушенной последовательностью аминокислот по всей длине полипептидной цепочки. При выпадении трех пуклеотидов нарушения происходят только непосредственно в поврежденной зоне, а далее последовательность аминокислот сохраняется. Следовательно, каждая аминокислота кодируется определенной последовательностью из трех азотистых оснований. Генетический код обладает еще рядом свойств: он не перекрывающийся — каждый триплет следует один за другим, между триплетами пет промежутков (запятых), одна аминокислота может кодироваться несколькими триплетами (вырожденный). Последнее понятно, так как всего из четырех азотистых оснований по три можно составить 64 комбинации, а аминокислот, входящих в состав белков (протеиногенных), всего 20. Вместе с тем один и тот же триплет не может кодировать две разные аминокислоты. Было расшифровано большинство триплетов, или кодонов (рис.13).

2. БИОСИНТЕЗ  БЕЛКА 

Белки — полимеры, мономерами которых  служат аминокислоты. Белки представляют собой цепочки остатков аминокислот, соединенных между собой пептидными связями. Полипептидпые цепочки состоят из повторяющихся элементов—СН—СО—NH—CH—CO—NH-.

При этом к группировкам СН присоединяются радикалы. Получается как бы цепочка  с радикалами различной длины. Белки содержат от 100 до 300 тыс. аминокислотных остатков. Молекулярная масса белков колеблется от 17 тыс. до 10 млн. Разнообразие белков определяется различной последовательностью аминокислотных остатков. Расчеты показывают, что из 20 аминокислот, входящих в состав белковой молекулы, можно составить примерно 2 • 10¹⁸ комбинаций.

Белки, так же как составляющие их аминокислоты, — амфотер-ные соединения. Каждый белок имеет свою изоэлектрическую точку — значение рН, при которой молекулы белка заряда не имеют. В зависимости от характера составляющих белок аминокислот изо-электрическая точка белков различна. Молекула белка имеет первичную, вторичную, третичную и четвертичную структуру. Первич ыая структура — это определенная последовательность аминокислотных остатков в белковой молекуле.

Между аминокислотами,  входящими  в полипептидную цепочку, возможны различные взаимодействия: водородные связи между группами NH одной аминокислоты и СО другой, ван-дер-ваальсовы связи и др. Благодаря этому полипептидная цепочка приобретает особенное расположение  в  пространстве,    особую  конформацию      (вторичная структура). Л. Поллинг и Р. Кори (1951) установили, что наиболее распространенной конформацией является а-спираль. Оказалось, что шаг спирали равен 0,54 им. Отдельные витки спирали стабилизированы водородными связями, диаметр спирали равен 1,05 нм. На каждый оборот спирали приходится 3,6 аминокислотных остатков. Спи-рализованные участки в полипептидной цепочке могут чередоваться с  песпирализоваиными.  а-спираль — не  единственная  форма  полипептидной цепи, которая встречается в природе. Некоторые белковые молекулы имеют форму р-спирали, в этом случае полипептидные цепочки свернуты как бы в виде гармоники. По конформации полипептидной цепи различают фибриллярные и глобулярные белки. Фибриллярные белки сохраняют вытяпутую форму а- и ^-спирали. Однако большинство белков-ферментов имеет глобулярную форму. У таких белков а-спираль свернута в определенную глобулу. Форма свертывания спирали в глобулу представляет собой третичную структуру белка. Третичная структура поддерживается, кроме водородных связей, гидрофобными взаимодействиями, а также дисульфидными связями, возникающими между двумя сульфгидрильными (SH) группами. Белки могут состоять из нескольких полииептидных цепочек, их взаимное расположение представляет собой четвертичную структуру. Белки отличаются исключительной реакционной    способностью, они могут реагировать с самыми различными органическими и неорганическими соединениями  и  с отдельными ионами.     Важнейшая функция белков заключается в том, что многие из них обладают каталитическими свойствами.  Все ферменты — это белки. Белки входят в состав мембран. Основное вещество цитоплазмы — это коллоидный раствор белка. Белки входят в состав клеточных стенок. Растительный организм   использует белки и   как   запасное   питательное   вещество.