WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     | 1 |   ...   | 32 | 33 || 35 | 36 |   ...   | 58 |

Поскольку эти реакции в интактном растении не наблюдаются, полагают [Rhodes, Wooltorton, 1978], что фермент, окисляющий полифенолы, и субстрат находятся в разных компартментах клетки, которые при стрессах разрушаются. Местом синтеза фенольных соединений являются хлоропласты [Запрометов, Колонкова, 1967; Запрометов, 1993]. Они же первичные компартменты фенольных соединений. Затем подавляющая масса водорастворимых фенолов концентрируется в вакуоли (см. также 1.4 и 3.8). Фенолаза же, как показывают опыты с экстракцией фермента, находится в растворимой части цитоплазмы клеток, хотя ее активность ассоциируется и с хлоропластами, и с митохондриями [Rhodes, Wooltorton, 1978].

Стрессовые условия не только способствуют освобождению и преобразованию уже имеющихся в клетке фенольных соединений, но и стимулируют фенольный метаболизм, при котором увеличивается синтез производных кофейной и хинной кислот. Среди них— коричная (циннамовая), хлорогеновая, изохлорогеновая кислоты (рис.91). Эти соединения присутствуют и в интактных тканях, но их накопление стимулируется стрессами.

Рис. 91. Ароматические кислоты, образующиеся при стрессе.

Синтез кофейной, коричной (циннамовой), хлорогеновой и изохлорогеновой кислот происходит в шикиматном пути синтеза ароматических кислот из фосфоенолпирувата и эритрозо 4-фосфата (рис.92). Количество фенольных соединений возрастает при разных повреждениях: механическом, химическом, например, тяжелыми металлами, инфекцией, грибами, бактериями или вирусами. Образованию фенолов способствует также дефицит элементов минерального питания (бора, кальция, магния, азота, фосфора, калия и серы), в частности, возрастает концентрация хлорогеновой кислоты [Putnam, 1983].

Рис.92. Синтез ароматических кислот (по: [Кретович, 1971; Осипов и др. 1986; Гудвин, Мерсер, 1986].

Засуха в комбинации с другими стрессами может значительно увеличить концентрацию хлорогеновой и изохлорогеновой кислот в растениях. У подсолнечника, например, комбинация засухи и азотного голодания индуцирует 15-кратное увеличение этих веществ. Жара и холод также влияют на образование и выделение фенолов [Putnam, 1983]. Многие другие факторы могут влиять на синтез и выделение фенольных соединений из растений. Гербициды и природные ингибиторы могут увеличивать их содержание. При стрессовых условиях, главным образом грибной инфекции, могут возникать новые фенольные соединения — фитоалексины: фазеолин, пизатин, сативин, медикарпин и др. (см. 6.2.10).

Феноменология биологических эффектов фенольных соединений изучена лучше других веществ. С их действием связывают явления аллелопатии, взаимодействия растений с насекомыми-фитофагами, устойчивости к заражению патогенными микроорганизмам [Harborne, 1988]. Фенолы могут играть здесь важную роль как детоксиканты высоких концентраций реактивных форм кислорода [Часов Минибаева, 2009]. Причем не исключено, что при стрессе имеет место регуляция на генном уровне.

Например, показано, что у трансгенных растений рапса Brassica napus по сравнению с растениями дикого типа наблюдается более высокая (в 2-4 раза) способность сохранять окислительный гомеостаз в условиях низкотемпературного стресса за счет накопления общих фенолов и флавоноидов (антоцианов) [Гомаа и др., 2012].

Возникающая в результате стресса хлорогеновая кислота обладает антимикробными свойствами, но еще более сильным действием обладают ее хиноны — продукты окисления [Стом, 1979]. Следует ожидать, что именно продукты окисления, а не сами фенольные соединения регулируют широкий круг процессов при экзогенных воздействиях. Таким образом, влияние на растения, приписываемое фенолам на основании модельных опытов, должно быть отнесено к веществам, вышедшим из вакуолей и продуктам их окисления.

Продукты окисления фенольных соединений — не единственные токсины, накапливающиеся в клетках при нарушении обмена. То особое место, которое им принадлежит, обусловлено ярко выраженной токсичностью хинонов, высокой концентрацией фенольных соединений и относительной устойчивостью окисляющего их фермента ортодинитрофенолоксидазы.

Фенолы и близкие им ароматические соединения могут вызывать значительные изменения проницаемости и водообмена клеток [Рощина В. Д., Рощина В. В., 1970;

Рощина, 1974]. При одних и тех же концентрациях наиболее сильно изменяют состояние цитоплазмы ароматические оксикислоты и полифенолы с орторасположением гидроксильных групп. Изменения проницаемости и гидрации в клетках так или иначе связаны с изменением высокомолекулярных компонентов цитоплазмы — белков.

Конформационные изменения макромолекул могут происходить в результате взаимодействия фенолов с белками, при котором фенольные соединения образуют также водородные мостики с пептидными связями. Степень конформационных изменений белка, вызванных фенолами, по-видимому, может быть различной — от незначительных структурных изменений до полного изменения расположения пептидных цепей. Таким образом, фенольные соединения, вступая в контакт с плазмалеммой, оказывают влияние на ее свойства, связанные с проницаемостью. Одновременно они соединяются с белками цитоплазмы, влияя на водоудерживающие силы клеток.

6.2.8. Азотсодержащие соединения.

Азотсодержащие соединения часто встречаются среди стрессовых метаболитов. К ним относятся алкалоиды, амины, аминокислоты, сульфоксиды аминокислот и стрессовые белки. Кроме того, описаны опыты по выделению окислов азота (моно- и диоксидов) после обработки растений гербицидами [Klepper, 1979].



Алкалоиды образуются почти у всех организмов и могут накапливаться в растениях под влиянием стрессов [Aniszewski, 2007]. Существует даже гипотеза об эндогенном образовании алкалоидов и в животном организме как возможной причины стрессов, вызывающих психические расстройства [Мецлер, 1980]. В этом случае проводят параллель между биохимией животных и растений. Однако экспериментальные данные по этим вопросам почти отсутствуют. Между тем алкалоиды широко распространены в растениях. Они содержатся приблизительно у 20% семейств высших растений.

Сосредоточены алкалоиды в основном в активнорастущих тканях, эпидермальных и гиподермальных клетках, в латексе млечников и обкладке сосудистых пучков. Место локализации алкалоидов в клетке — в основном вакуоль, где они содержатся в виде солей яблочной, винной, лимонной и других кислот (см. 1.4). В семенах алкалоиды запасаются внутри эндосперма, и покоящийся эмбрион обычно защищен от их токсического влияния [Friedman, Waller, 1985].

В химическом отношении алкалоиды не представляют собой однородной группы и существенно различаются по составу и строению. В зависимости от природы азотистого гетероцикла, входящего в их состав, алкалоиды разделяются на следующие основные группы: 1. производные пиперидина (анабазин, кониин), 2. производные пиридина (никотин), 3. производные тропана (атропин), хинолина (хинин), 4. производные изохинолина (морфин, берберин), 5. производные пурина (кофеин), 6. производные терпеноидов (соланин), 7. производные индола (стрихнин) [Mnz, 1984; Гудвин, Мерсер, 1986]. Обычно в растении содержится целый комплекс алкалоидов, родственных по своей химической природе, как, например, у табака Nicotiana tabacum, опийного мака Papaver somniferum, хинного дерева Cinchona succirubra. В отношении многих алкалоидов показано, что их содержание в растениях подвергается большим колебаниям, которое зависит от меняющихся условий среды. Особенно сильно влияют освещение, температура, засоление, засуха и т.д.

Поскольку в настоящее время алкалоиды более не рассматриваются как отбросы растений, и признается существование тесной связи между обменом белков и аминокислот, с одной стороны, и образованием алкалоидов — с другой, изменение количества алкалоидов при стрессах является показателем изменения азотного обмена растений.

Действие стрессовых факторов на накопление и выделение алкалоидов было экспериментально проверено рядом авторов. Так водный стресс резко увеличивал концентрацию алкалоидов у крестовника Senecio longilobus Benth [Briske, Camp, 1982].

Сходное явление наблюдали при повышении концентрации соли на суспензионной культуре Coffea arabica в период стационарной фазы [Frischknecht, Baumann, 1985].

Засоление (0,75% NaCl) при высокой интенсивности света вызывало увеличение синтеза пуриновых алкалоидов — теобромина и кофеина. Повышение содержания соли до 153,моль/м3 также приводило к повышению содержания алкалоидов типа тропана в листьях дурмана Datura innoxia. Дефицит К+ в аналогичных опытах вызывал повышение уровня диамина путресцина, который является предшественником пирролидина [Brachet, Cosson, 1986]. Значительное увеличение накопления алкалоидов (от 60 до 90 % от контроля) наблюдалось в суспензионной культуре клеток Catharanthus roseus под действием инокуляции грибом Aspergillus niger и осмотического шока [Godoy-Hernndez and Loyola-Vargas, 1991]. При заражении грибами алкалоид сангвинарин накапливается и секретируется также и в культуре клеток Papaver bracteatum [Cline and Coscia, 1989].

Рис.93. Алкалоиды, освобождающиеся при разрушении растительной ткани Механическое повреждение ткани способствует освобождению алкалоидов, которые могут оказывать сильное физиологическое действие на живые организмы, будь то животные, микробы или растения. Формулы некоторых алкалоидов, освобождающихся при повреждении растительной ткани, показаны на Рис.93.

При механическом повреждении листьев дикого табака Nicotiana sylvestris содержание алкалоидов возрастает в 4 раза по сравнению с неповреждёнными растениями.

Особенно сильно увеличивается (примерно в 10 раз) через 19 часов после такого повреждения количество никотина и норникотина [Baldwin, 1989]. Полагают, что стимуляция синтеза алкалоидов при стрессе обусловлена участием этилена и абсцизовой кислоты [Бузук и др., 1989].

Неисследованной проблемой является накопление нуклеотидов и азотистых оснований при распаде нуклеиновых кислот под влиянием стресса, хотя довольно подробно проведен анализ аминокислот и аминов, аккумулирующихся в этих условиях.

Засуха и засоление – самые значительные факторы, вызывающие образование стрессовых азотсодержащих метаболитов. У покрытосеменных растений, произрастающих на песчаных дюнах или галечниках прибрежных зон, обнаруживается аккумуляция в листьях осмотически активных метаболитов — азотсодержащей аминокислоты пролина и производного аминов бетаина, которые были отнесены к стрессовым веществам [Smirnoff, Stewart, 1985]. Так как эти почвы имеют низкую насыщенность влагой и растения на них испытывают действие засухи и перегрева, полагают, что эти соединения определяют их засухо- и жаростойкость. Экспериментально было показано, что в присутствии стрессовых метаболитов возрастает термостойкость некоторых ферментов, в частности глютаминсинтетазы и глютаматоксалоацетатаминотрансферазы [Smirnoff, Stewart, 1985].





Возможна также связь между солеустойчивостью и содержанием у культурных трав бетаина. Превращение аминокислот в бетаин (СН3)3N+—СН2СОО-) путем их полного метилирования — процесс, характерный для азотного обмена многих растений, в том числе, например, у люцерны Medicago sativa.

В качестве веществ cтресса могут накапливаться амины, многие из которых физиологически также весьма активны. Например, при искусственном дефиците минерального питания в листьях риса Oryza sativa накапливается индольный амин серотонин, являющийся нейротраснсмиттером у животных [Kang et al., 2009]. Поскольку этот амин проявляет свойства стимулятора роста и мощного антиоксиданта [Roshchina, 2001a], то можно предполагать его защитные функции как метаболита, чей синтез увеличивается при стрессе. При стрессе могут накапливаться и выделяться полиамины, которые могут быть многофункциональными протекторами [Кузнецов и др., 2006]. При хранении плодов лимона Citrus limon, грейпфрута Citrus paradisi и стручкового перца Capsicum annuum в условиях низких температур, вызывающих повреждение ткани, в них накапливается полиамин путресцин [McDonald, Kushad, 1986]. Наибольшей чувствительностью к холоду обладает перикарпий плодов перца, хранение которых при температуре 1оС в течение 21 дня приводит к увеличению концентрации путресцина в 2,раза по сравнению с плодами, находящимися при 7,2°. При 4,4°С в мякоти и соке плода грейпфрута содержание путресцина за 60 дней повышалось на 39 и 40% соответственно по сравнению с плодами, хранящимися при 15,5°. При хранении плодов лимона в течение дня при разных температурах отмечено линейное отношение между уровнем путресцина и увеличением холодового повреждения. Коэффициент корреляции равнялся 0,9.

Накопление полиаминов при холодовом стрессе подтверждается работой [Wang, 1987], выполненной на проростках огурца Cucumis sativus, выращенных в теплице. Холодная обработка (5° в течение 2 дней) приводила к увеличению уровня полиаминов, в частности спермидина.

Интересно, что путресцин накапливается в листьях ячменя Hordeum и других растений при калийном голодании, а также при хлоридном отравлении [Кретович, 1971].

Поскольку путресцин накапливается в результате декарбоксилирования аминокислоты орнитина, приведенные факты, по-видимому, указывают на активирование при стрессах декарбоксилаз аминокислот. Амины, образующиеся при декарбоксилировании аминокислот, могут снова вовлекаться в обмен веществ и использоваться в качестве строительного материала. Особенно легко эти амины используются растением для синтеза алкалоидов [Aniszewski, 2007].

К числу метаболитов, освобождающихся из клеток при стрессе, по-видимому, должны быть отнесены и небелковые аминокислоты, которых в высших растениях обнаружено свыше 400 [Friedman, Waller, 1985]. Многие из них — аналоги обычным белковым аминокислотам (рис.94). Распространены небелковые аминокислоты относительно широко, многие из них токсичны. Некоторые из этих соединений характерны для отдельных семейств и даже для отдельных родов. Например, азетидин-2-карбоновая кислота обнаруживается в растениях из семейства Liliaceae, а также у некоторых видов из близкого к лилейным семейства Amaryllidaceae. Количество непротеиногенных аминокислот в различных органах растения может сильно варьировать [Фауден, 1968], но больше всего, по-видимому, их находится в семенах. Например, канаванин в семенах Canavalia Рис. 94. Токсические небелковые аминокислоты и их аналоги среди белковых соединений ensiformis составляет 4—6% сырой массы, а в в семенах Dioclea megacarpa — в пределах 7—10% сырой массы. В семенах Mucuna найден L-ДОФА (диоксифенилаланин) в количестве от 6 до 9% [Харборн, 1985].

Непротеиногенные аминокислоты не могут играть заметную роль в основных процессах промежуточного обмена, так как лишь немногие из них широко распространены в природе [Фауден, 1968]. Однако, поскольку эти соединения содержат азот, можно рассматривать их как запасные вещества семян, служащие источником легко мобилизуемого азота. Непротеиногенные аминокислоты могут также играть защитную роль в образующих их растениях, повышая их выживаемость. Ряд аминокислот растительного происхождения, например канаванин, дьенколевая кислота и -цианоаланин, токсичны для других форм жизни. Наиболее изученным токсином является азетидин-2-карбоновая кислота, впервые выделенная из Convallaria majalis. Она широко распространена у некоторых представителей бобовых и токсична вследствие ингибирующего действия на синтез и утилизацию пролина. Растения, образующие азетидин-2-карбоновую кислоту, сами защищены от ее пагубного действия благодаря способности белок-синтезирующего аппарата, в частности пролин-тРНК-синтетазы. распознавать эту кислоту и не включать ее в белок. Неадаптированные организмы ошибочно принимают азетидин-2-карбоновую кислоту за пролин и включают ее в белок, в результате чего могут погибнуть. Таким образом, присутствие небелковых аминокислот, особенно в семенах, обеспечивает общую защиту растений против насекомых и травоядных животных.

Среди азотсодержащих продуктов стрессовых выделений растений встречаются сульфоксиды аминокислот и белки. При повреждении тканей лука Allium сера и чеснока Allium sativum появлятся характерные для этих видов запахи, обусловленные летучими цистеин-сульфоксидами, которые обладают фунгицидной и бактерицидной активностью.

Pages:     | 1 |   ...   | 32 | 33 || 35 | 36 |   ...   | 58 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.