Физиология растений

Ферменты проявляют свою активность при выделении из клетки. Однако в клетке их действие может отличаться от действия вне клетки. Ферменты могут быть локализованы в определенных частях клетки, вплетены в мембраны, пространственно разделены или, наоборот, объединены с субстратом. Все это накладывает большой отпечаток на их работу.

Разнообразие ферментов в клетке чрезвычайно велико, однако все их можно разделить на шесть классов: 1) оксидоредуктазы — катализирующие окислительно-восстановительные реакции; 2) транс-феразы — катализирующие перенос целых атомных группировок от одного соединения к другому; 3) гидролазы — осуществляющие распад различных органических соединений с участием воды (гидролиз); 4) лиазы — катализирующие присоединения какой-либо атомной группировки к органическим соединениям или отцепляющие от субстратов определенную группу без участия воды; 5) изомеразы — катализирующие превращение одних изомеров в другие; 6) лигазы, или синтетазы, — катализирующие синтез органических соединений, происходящий при участии АТФ (с использованием энергии этого соединения).

Один и тот же фермент может  существовать в разных формах. Белки-ферменты, катализирующие одну и ту же реакцию, встречающиеся у одного вида организмов, но различающиеся по ряду физико-химических свойств (внутренней локализации, электрофоретической подвижности), называют изоферментами. Они различаются по реакции на внешние условия; их максимальная активность проявляется в различных условиях температуры и рН. По-видимому, наличие изо-ферментов позволяет организмам лучше приспосабливаться к меняющимся условиям среды.

Скорость и направленность ферментативных реакций клетки зависят от следующих причин: 1) условий, в которых протекает ферментативная реакция; 2) активности действующего фермента; 3) количества белка-фермента. Остановимся коротко на каждой из этих причин.

1. Как всякая химическая реакция,  ферментативные реакции зависят от температуры. Влияние температуры на тот или иной процесс принято оценивать величиной температурного коэффициента. Температурный коэффициент <2ю показывает, во сколько раз данный процесс ускоряется при повышении температуры на 10°С. Q\q ферментативных реакций довольно высок, однако он не остается постоянным. Температурные оптимумы также различаются для разных ферментов и даже для одного и того же фермента. По данным советского физиолога Б. А. Рубина, один и тот же фермент, выделенный из растений в разное время года (ранней весной, летом и осенью), будет по-разному реагировать на повышение температуры. Ферменты, выделенные из растения в весенний период, будут иметь более низкий температурный оптимум по сравнению с ферментами, выделенными в летний период.

Поскольку ферменты являются белками, то повышение температуры свыше 35—40°С вызывает их частичную инактивацию, а дальнейшее повышение температуры приводит уже к необратимому их повреждению.

Большое значение для протекания ферментативной реакции имеет рН среды. У каждого  фермента свой оптимум рН, при котором лучше всего проявляется его активность. Отклонение рН в сторону большей кислотности или большей щелочности приводит к снижению активности фермента. Это связано с тем, что в большинстве случаев функциональные группы белка-фермента, составляющие его активный центр, ионизированы и их заряд зависит от рН, а от заряда зависит возможность образования фермент-субстратного комплекса. Часто даже один и тот же фермент, выделенный из разных растений, имеет неодинаковое оптимальное значение рН.

2. Ферменты обладают весьма динамической структурой. Вместес тем активность фермента, его способность оказывать каталитическое действие во многом определяются его конфигурацией, его формой. Это связано с тем, что фермент, а главное, группы, входящиев его активный центр, должны быть расположены так, чтобы онимогли взаимодействовать с субстратом. Изменение вторичной и третичной структуры (конформации) белка-фермента под влиянием какого-либо агента носит название аллостерического эффекта.Благодаря аллостерическим изменениям фермент может потерять активность или приобрести ее. Изменение конфигурации фермента происходит под влиянием веществ разного происхождения. В частности, это может быть конечный продукт данной реакции, который, накапливаясь, вызывает ее замедление.

3. Все клетки данного организма имеют идентичную ДНК, поэтому все клетки обладают одинаковым геномом. Иначе говоря, все клетки одного организма обладают способностью синтезировать одинаковые белки-ферменты и имеют равные потенциальные возможности.Вместе с тем разные клетки одного организма сильно различаютсяпо форме и функциям (например, клетки листа или корня, клеткифлоэмы или камбия и т. д.). В процессе роста и развития происходит дифференциация клеток.

Следовательно, различные клетки данного организма, особенно специализированные, должны различаться по содержанию белков-ферментов. Экспериментальных доказательств этого положения не много, так как чрезвычайно трудно выделить все ферменты из разных типов клеток. Интересные данные в этом отношении получены для корневых волосков. Показано, что корневые волоски образуются укороченными клетками, которые отличаются высоким содержанием фермента — кислой фосфотазой. Рядом расположенные клетки, не содержащие этого фермента, корневых волосков не образуют.

Одним из основных регуляторных механизмов, определяющих ту или иную специализацию  клетки, должен быть механизм регуляции образования белков-ферментов. Регуляция образования белков-ферментов часто лежит и в основе приспособления организма к среде. Среда тонко регулирует клеточный обмен. Известно, что достаточно прибавить определенное вещество в среду, где культивируются одноклеточные организмы, и у них появляются соответствующие ферменты. Такое явление называют индуцированным синтезом ферментов.    Следовательно,    способность к синтезу данного фермента была заложена в клетке, но она не проявлялась. Было показано, что в норме дрожжевые клетки не используют лактозу. Однако если в среду, на которой выращивают дрожжи, добавить лактозу, клетки приобретают способность синтезировать фермент галактозидазу и сбраживать этот сахар. Можно привести обратный пример, когда присутствие определенного вещества тормозит образование ферментов, катализирующих его синтез. Так, тифозная палочка в присутствии триптофана не способна к синтезу этой аминокислоты. Однако в среде, лишенной триптофана, в клетках этого микроорганизма появляется фермент триптофаисинтетаза. В клетках корня высших растений появляется фермент, восстанавливающий нитраты (нитратредуктаза) только в случае их присутствия в среде.

Регуляция синтеза белков-ферментов  может происходить разными путями. Работами Жакоба я Моно установлено, что в клетке наряду со структурными генами, которые определяют структуру белка, имеются гены-регуляторы, которые ответственны за активацию или дезактивацию работы структурных генов. Предложенная Жакобом и Моно схема регуляции синтеза белка представлена на рисунке 18. Согласно этой схеме гены-регуляторы пространственно отделены от структурных генов и вырабатывают и-РНК, на которой, как на матрице, синтезируются определенные белки (репрессоры). Эти белки-реп-рессоры могут присоединяться к участкам молекулы ДНК, носящим название операторов. В результате на определенном отрезке, включающем, как правило, несколько генов, молекула ДНК перестает раскручиваться, а следовательно, на ней невозможно образование соответствующих и-РНК. Участок ДНК, работа которого регулируется одним оператором, носит название оперона.

Важно отметить, что существуют низкомолекулярные  вещества дерепрессоры или эффекторы, которые связывают белки-репрессоры, тем самым репрессия снимается и на ДНК-матрице образуется и-РНК, индуцируется синтез соответствующих белков-ферментов. В качестве эффекторов могут выступать или вещества, поступающие из внешней среды, или вещества, образующиеся в самом организме (какие-то метаболиты). Для высших животных и растений это могут быть гормоны (см. ниже). Схема Жакоба. и Моно оказалась способной объяснить многие явления. Действительно, гены могут находиться в двух формах: активной и репрессированной. В специализированных клетках лишь от 5 до 20% ДНК служит основой для транскрипции, остальное количество ДНК репрессировано. Активность генома может регулироваться и внешними условиями. Схема Жакоба и Моно разработана для прокариот. У высших организмов геном значительно сложнее и регуляция его активности также более сложна и значительно менее изучена. К этому вопросу мы еще вернемся в разделе роста и развития растений.

Регуляция образования белков-ферментов  может осуществляться не только благодаря непосредственному влиянию репрессоров на молекулы ДНК. Интересны исследования, показывающие, что под влиянием различных воздействий меняется активность РНК-полимера-зы — фермента, катализирующего образование и-РНК па ДНК-матрице. Изменение активности этого фермента может оказать влияние на скорость процесса транскрипции. Следующим регуляторным механизмом может быть степень выхода уже образованных и-РНК из ядра. В случае, если под влиянием определенных воздействий поры в оболочке ядра закрываются, это может тормозить или даже прекращать выход и-РНК из ядра в цитоплазму, что, естественно, приостанавливает синтез белков-ферментов. Как уже упоминалось, и-РНК поступает из ядра в цитоплазму в виде так называемых ин-формосом, в которых она связана с белком. Для того чтобы служить матрицей, и-РНК должна освободиться от окружающего ее белка. По-видимому, и этот процесс может меняться в зависимости от условий (регуляции на уровне трансляции). Наконец, количество образовавшихся идентичных белков может регулироваться путем изменения времени жизни и-РНК. Рассмотренные примеры показывают различные возможности регуляции новообразования белков-ферментов. Благодаря этой регуляции организм может приспосабливаться к различным условиям среды. В основе изменений обмена, происходящих под влиянием внешних воздействий, лежит прежде всего изменение направленности и скорости ферментативных реакций. Регуляция образования и активности белков-ферментов лежит также в основе процессов дифференциации.

В заключение важно подчеркнуть, что  клетка имеет сложную организацию. В отдельных ее компартмеитах осуществляются специфические взаимосвязанные физиолого-биохимические процессы. Взаимосвязь проявляется особенно хорошо на синтезе белка. Информация для этого процесса хранится в ядре, энергия поставляется митохондриями, материал образуется в цитоплазме, сам процесс происходит на рибосомах. Синтез белка — это также пример регулируемого процесса.

Клетка, как и организм в целом, может существовать только при непрерывном обмене с внешней средой. Перейдем к рассмотрению закономерностей поступления в клетку воды и питательных веществ.

ПОСТУПЛЕНИЕ ВОДЫ В РАСТИТЕЛЬНУЮ КЛЕТКУ

Для осуществления всех процессов  жизнедеятельности в клетку из внешней  среды должны поступать вода и питательные вещества. Вода прямо или косвенно участвует во всех реакциях обмена. Вода является важнейшей составной частью растительной клетки.

1. ДИФФУЗИЯ  И ОСМОС

Прежде чем перейти к изучению поступления воды, остановимся на рассмотрении некоторых общих закономерностей.

Как известно, при температуре выше абсолютного 0°С все молекулы находятся в постоянном беспорядочном движении. Это показывает, что они обладают определенной кинетической энергией. Благодаря постоянному движению при смешении двух жидкостей или двух газов их молекулы равномерно распределяются по всему доступному объему. Диффузия — это процесс, ведущий к равномерному распределению молекул растворенного вещества и растворителя. Диффузия всегда направлена от большей концентрации данного вещества к меньшей, от системы, обладающей большей свободной энергией, к системе с меньшей свободной энергией. Свободной энергией называется часть внутренней энергии системы, которая может быть превращена в работу. Свободная энергия, отнесенная к 1 моль вещества, носит название химического потенциала. Таким образом, химический потенциал — это мера эпергии, которую данное вещество использует на реакции или движение. Чем выше концентрация данного вещества, тем выше его активность и его химический потенциал. Вследствие этого передвижение вещества идет от большего к меньшему химическому потенциалу. Наибольший химический потенциал у чистой воды. Добавление к воде молекул растворенного вещества уменьшает ее активность, ее свободную энергию, ее химический потенциал. Для воды вводится понятие водного потенциала. Водный потенциал^/ (\j)) — это способность воды в данной системе (в клетке) совершать работу по сравнению с той работой, которую совершала бы чистая вода. Когда система или клетка находится в равновесии с чистой водой, ее водный потенциал равен 0.

В том случае, если диффундирующие вещества встречают на своем пути мембрану, движение замедляется, а в некоторых случаях прекращается. Диффузия воды по направлению от большего к меньшему водному потенциалу через мембрану поеит название осмоса. Иначе говоря, осмос — это диффузия воды или другого растворителя через полупроницаемую  перепонку,  вызванная разностью  концентраций.

Идеальная полупроницаемая мембрана пропускает молекулы воды и не пропускает молекулы растворенного вещества. В 1877 г. немецкий физиолог Пфеффер приготовил искусственную полупроницаемую мембрану. Для этого в пористый фарфоровый сосуд наливали раствор медного купороса и помещали в другой сосуд, в свою очередь заполненный раствором ферроциапида калия. В порах первого фарфорового сосуда растворы соприкасались и реагировали друг с другом. В результате в порах образовалась пленка из ферроцианида меди (Cu2Fe(CN)e), которая обладала полупроницаемостью. Таким образом была создана как бы модель клетки: полупроницаемая пленка имитировала цитоплазму, а стенки сосуда — пектоцеллюлозную оболочку. Сосуд, в порах которого образовалась полупроницаемая мембрана, заполненный раствором сахарозы, помещали в воду. Присоединяя к сосуду манометр, измеряли силу давления, с которой вода поступала в раствор.