Физиологическое значение меди в жизнедеятельности растений

Пластоцианин, как выяснилось (Fork, Urbach, 1965; Trebst, Elstner, 1965, и др.), имеет одинаковый потенциал с цитохромом f и включается в цепь транспорта электронов между фотохимическими системами I и II, он участвует в образовании сильного восстановителя, являясь компо­нентом электроннотранспортного механизма фотохимической системы I. Цитохром f является непосредственным донором для пигментной системы I.

Кок и Рураинский (Kok, Rurainski, 1965) выдвинули предположение, что пластоцианин и цитохром f, обладая почти одинаковым редокспотенциалом, могут включаться в электронную цепь параллельно. Опыты с мутантами Chlamydomonas reinhardii, лишенными цитохрома 553 или пластоцианина, позволили определить, что пластоцианин в цепи переноса электронов стоит после цитохрома 553, который близок к цитохрому f петрушки. (Gorman, Levine, 1965);

Элстнер, Писториус, Бегер и Требст (Elstner, Pistorius, Boger, Trebst, 1968) пришли к выводу о существовании двух возможных доноров электронов для пигментной системы I — пластоцианина и цитохрома f. Они предполагают существование и двух пигментных систем I, возможно, пространственно разобщенных: одна связана с циклическим переносом электронов, и ее компонентом является цитохром f, другая принимает участие в нециклическом переносе электронов, и ее компонентом является пластоцианин. При обработке хлоропластов ультразвуком пластоцианин показал себя лучшим акцептором электронов, возникающих при фото­окислении воды фотохимической системой II, чем цитохром f. Сейчас можно считать доказанным (Avron, Schneyour, 1971), что пластоцианин является медиатором индуцируемого светом окисления цитохрома и тем самым служит переносчиком электронов между цитохромами и фотосистемой I. Приведенные данные показывают, что медь (пластоцианин) и железо (цитохром f) взаимодействуют в процессе фотосинтеза.

Несмотря на наличие столь интересных данных о роли медьсодержа­щего белка пластоцианина в фотосинтезе, роль меди в этом процессе еще требует дальнейшего выяснения. Во всяком случае ее участие нельзя, вероятно, ограничить функцией пластоцианина. Были получены данные (Lightbody, Krogmann, 1967), которые свидетельствуют в пользу того, что у Anabaena variabilis медь пластоцианина не ответственна за ингибирование реакции Хилла медьхелатирующими агентами и можно пред­полагать, что какое-то другое звено чувствительно к ингибированию медьхелатирующими агентами. Это снова выдвигает вопрос о возможном участии меди в системах, связанных с выделением кислорода в процессе фотосинтеза.

Большой интерес в связи с этим представляет работа С.Г.Юферовой, Г.Н.Саенко и Е.А.Бойченко (1969), которые определили наибольшее процентное содержание меди во фракции полярных липидов хлоропластов. Возможное участие этих веществ в окислительно-восстановительных реакциях фотосинтеза не вызывает сомнений, если учесть известную роль липидов в переносе электронов в процесс фотосинтеза. Роль меди в реак­циях фотосинтеза, по мнению некоторых исследователей, может быть связана также с ее вхождением в состав цитохромоксидазы.

В связи с обсуждением вопроса о роли меди в процессе фотосинтеза следует упомянуть работу Л.К.Островской, Х.Н.Починок и Б.Л.До­рохова (1959). Указанные авторы выявили интересный факт: недостаточные в отношении меди растения, подвергавшиеся воздействию пониженных температур (+5°) в течение 16 часов при перенесении их в нормальные условия температуры (+21°) отличались сниженной на 21% интенсивно­стью фотосинтеза по сравнению с растениями, не подвергавшимися пред­варительному воздействию пониженных температур. Получившие же медь растения, подвергавшиеся такому же температурному воздействию, не только не снизили интенсивность фотосинтеза, но даже повысили ее на 19%. Такая же и даже еще более яркая картина получилась в отношении действия меди на дыхание при предварительном воздействии пониженными температурами. По мнению авторов, тесная взаимосвязь фотосинтеза и дыхания в едином процессе жизнедеятельности растений позволяет предположить, что функция, которую выполняют медьсодержащие ферменты в дыхании, может иметь определенное значение и для фотосинтеза. В связи с этим интересно привести данные, говорящие, как нам представляется, в пользу указанных высказываний авторов. Мы имеем в виду работы Грина, Маккарти и Кинга (Green et al., 1939). Эти авторы обнаружили у хлореллы угнетение фотосинтеза и дыхания ядами, более или менее специфичными для медьсодержащих ферментов (тиомочевины, салицилальдоксима, диэтилдитиокарбамата натрия). При­чем фотосинтез оказался более чувствителен к действию этих ингибиторов. Арнон (Arnon, 1950) также показал, что калий-этилксантит, являющийся специфическим ингибитором медьсодержащих ферментов, очень сильно угнетает световую реакцию фотосинтеза и что это угнетение полностью снимается внесением меди.

Указанные факты о значении меди в реакциях фотосинтеза делают в настоящее время понятным ранее полученные данные о повышении интенсивности фотосинтеза под влиянием меди у ряда растений (Абуталыбов и др., 1959; Островская и др., 1959; Школьник, Грешищева, 1959).

Имеются данные о положительном влиянии меди также на передви­жение ассимилятов (Школьник, Абдурашитов, 1958; Школьник, Греши­щева, 1959) и на повышение активности некоторых ферментов фосфорно-углеводного обмена (Шальтенене, 1965).

Факты вхождения меди в состав конечных оксидоредуктаз цитохромоксидазы и аскорбинатоксидазы должны были бы стимулировать интерес к изучению роли меди в дыхательном газообмене. Однако этого не случилось. Имеющиеся по этому вопросу сведения немногочисленны и противоречивы. В ряде работ (Архангельская, 1952; Масляная, 1954; Школь­ник, Абдурашитов, 1958) сообщалось об усилении дыхания под влиянием меди. Были получены, однако, и противоположные данные (Nason et al., 1952). В работе Л.К.Островской (1961) недостаточное питание медью оказывало неодинаковое действие на дыхание различных растений. У са­харной свеклы и овса в большинстве случаев интенсивность дыхания при недостатке меди снижалась, у кок-сагыза повышалась. В наших с С.А.Абдурашитовым (Школьник, Абдураши- тов, 1958) опытах с ку­курузой было обнаружено повышение интенсивности дыхания под вли­янием меди.

Какие-либо данные о действии меди на энергетический обмен у растений отсутствуют. Имеются только сведения о ее влиянии на мембранные Na+ и К+-АТФ-азы (Peters et al., 1965) и на набухание митохондрий.

Медь играет важную роль в азотном обмене. Она причастна к про­цессу восстановления нитратов. Г.Я.Жизневская (1961) обнаружила повышение активности нитратредуктазы под действием меди. Активи­рующее влияние меди на активность нитратредуктазы было замечено и ранее (Medina, Nicholas, 1957а).

Г.Я.Жизневская (1972) высказала интересные соображения о при­чинах повышения активности нитратредуктазы под влиянием меди (не входящей в состав фермента). По ее мнению, при нормально протекающем процессе биосинтеза нитратредуктазы уровень ее активности in vivo может лимитироваться притоком, доноров водорода и электронов, что в свою очередь зависит от интенсивности окислительно-восстановительных процессов, протекающих в клетке. Металлы с переменной валентностью (медь, кобальт, железо, марганец), усиливая интенсивность окислительно-восстановительных процессов, могут тем самым оказывать и косвенное влияние на активность нитратредуктазы in vivo, не входя в состав фер­мента. Это очень верная мысль. Она подтверждается фактами не только обнаруженной способности меди активировать нитратредуктазу, но и такой же способностью кобальта (Ягодин, 1970). В пользу этого пред­положения говорит и тот факт, что цинк, который не относится к элементам с переменной валентностью (правда, известен одновалентный цинк), в опытах, проведенных В.Н.Давыдовой (1966), не оказал положитель­ного влияния на активность нитратредуктазы. Г.Я.Жизневская (1968) показала, что добавка меди растениям люпина на почвах, характеризую­щихся недостатком усвояемой меди, способствует формированию клубень­ков и увеличению содержания азота в клубеньках и надземных органах. Медь играет, как считает Я.В.Пейве (1971), косвенную роль в процессе симбиотической азотфиксации.

Я.В.Пейве с сотрудниками (Пейве, 1964, 1965; Пейве и др., 1965; Пейве, Жизневская, 1966; Пейве, Ягодин, Попазова, 1967) опубликовал ряд работ, в которых показано значение меди (наряду с молибденом и кобальтом) в повышении в клубеньках активности нитратредуктазы, причастной к процессам восстановления нитратов и, воз­можно, в усвоении молекулярного азота, а также активности в клубеньках бобовых дегидрогеназ, обеспечивающих непрерывный приток активированного водорода и электро­нов к молекулярному азоту. Медь, кроме того, оказывает влияние на содержание ферредоксина, играющего важную роль в пере­носе электронов в процессе азотофиксации. По мнению Я.B.Пейве, медь может принимать участие в фиксации молекулярного азота бла­годаря ее роли в фотосинтезе. Связь фикса­ции молекулярного азота с фотосинтезом, по его мнению, заключается в том, что атомы водорода и электроны, образующиеся в ре­зультате фотолиза воды, поступают к какому-либо их общему акцептору при низком окислительно-восстановительном потенциале и уже затем используются для восстановления молекулярного азота.

Положительное влияние меди на фикса­цию молекулярного азота было обнаружено еще раньше В.М.Грибановым (1954). Идея о том, что одним из механизмов активации метаболизма бобовых растений под влиянием меди является участие этого микроэлемента в окис­лительно-восстановительных процессах, в том числе и протекающих в клу­беньковой ткани, привела Г.Я.Жизневскую к изучению действия меди на интенсивность окислительно-восстановительных, процессов, включая и конечный металлосодержащий участок цепи переноса электронов. С этой целью проводилось изучение действия меди на активность малат- и сукцинатфенилтетразолий-редуктаз (Жизневская и др., 1969), а также медьсодержащего фермента — полифенолоксидазы в клубеньках бобовых рас­тений. Внесение меди в бедные в отношении меди торфяные почвы повы­шало активность малат- и сукцинаттрифенилтетразолий-редуктаз в гомогенатах клубеньков люпина (рис. 6). При старении клубеньков, когда активность этих ферментов снижалась, медь сохраняла более высокий уровень их активности. Тот факт, что малат- и сукцинаттетразолий-редуктазная активность клубеньков принадлежит в основном бактероидам, а не растительной ткани, дал основание предположить, что внесение меди активировало дыхательную цепь бактероидов на уровне гемопротеида Р-450, имеющего медь в составе активного центра.

Повышение содержания геминового железа в клубеньках бобовых рас­тений (Жизневская, 1972) под действием меди могло свидетельствовать об участии этого микроэлемента в биосинтезе гемоглобина, являющегося основным гемопротеидом клубеньков. Такие данные были получены Г.Я.Жизневской, М.И.Дмитриевой, Б.А.Ягодиным и А.В.Васильевой (1967). Было обнаружено стабилизирующее действие меди на сохранение высокого уровня гемоглобина в клубеньках. Г.Я.Жизневская и Л.И.Бороденко (1969) считают, что медь может участвовать в биосинтезе гемоглобина в клубеньках через регуляцию поступления железа и уве­личение доли геминового железа.

Г.Я.Жизневская (1972) изучила влияние меди и молибдена на содер­жание свободных аминокислот в растении, в том числе в зависимости от нитратного питания. Ею впервые было исследовано влияние этих, микро­элементов на содержание аминокислот в клубеньках и выявленом максимальное содержание свободных аминокислот в клубеньках в момент, совпадаю­щий с фазой бутонизации бобового растения, т. е. с периодом наиболее интенсивной азотфиксации. Жизневская пришла к выводу о существенном влиянии молибдена и меди на содержание аминокислот, особенно первич­ных, что позволяет сделать и другой вывод, а именно о стимуляции этими микроэлементами первичных звеньев усвоения аммиака. Образование ами­нокислот из продуктов фиксации молекулярного азота возможно как на основе гидроксиламина, так и на основе аммиака через L-кетодикарбоновые кислоты.

Имеются данные о накоплении амидов при недостатке меди, что явля­ется показателем нарушения биосинтеза белка. Л.К.Островская и Б.А.Геллер (1955), применив стабильный изотоп N16, установили, что медь является одним из факторов, необходимых для нормального осу­ществления ассимиляции минерального азота и синтеза белка в растениях. Им удалось выявить различия в усвоении азота разной степени окисленности — аммиака и нитратов. При питании аммиачным азотом недостаток меди приводит к заметному торможению синтеза белка и близких к нему соединений (пептонов и полипептидов).

Требуются специальные исследования, чтобы выяснить причину наблюдающегося при недостатке меди парадоксального явления: с одной стороны, как указано выше, медь положительно влияет на синтез белка, с другой, как это было показано на тунговых деревьях (Gilbert et al., 1946), при недостатке меди наблюдается повышенное содержание белка. Последнее, возможно, является результатом блокированного протеолиза. Кроме того, высокое содержание белка может инактировать ионы меди из-за образования устойчивых протеинов. Вследствие этого, по-видимому, обильное снабжение азотом может увеличить, как уже указывалось, симп­томы медной недостаточности. Остается также невыясненной причина противоречий в вопросе о влиянии меди на содержание свободных амино­кислот, обнаруживаемых при сравнении данных различных авторов (Possingham, 1956; Steinberg, 1956; Brown et al., 1958).

Исследования значения меди в азотном питании растений, которые провели Г.Р.Озолиня и Л.П.Лапиня (1965), показали значительную зависимость уровня потребности растений в меди от уровня и формы азот­ного питания. Обнаружив снижение содержания нуклеиновых кислот при недостатке меди, авторы пришли к предположению, что влияние меди на усвоение азота связано с ее ролью в нуклеиновом обмене. В более позд­ней работе Г.Озолиня и Б.Ливдане (1970), обнаружив изменения в со­ставе растворимых белков эндосперма зерна ячменя под влиянием меди, пришли к заключению об участии меди в регулировании биосинтеза бел­ков в созревающем семени.

Вопрос о роли меди в нуклеиновом обмене представляет большой ин­терес. Следует особенно отметить влияние меди на структуру и функции нуклеиновых кислот, которое, по-видимому, определяется сильной комплексообразующей способностью меди (Frieden, Alles, 1958).

Интерес в связи с обсуждением вопроса о значении этого элемента в нуклеиновом обмене представляет работа Фридена и Алеса (Frieden, Alles, 1958). Эти авторы исследовали соединение меди с нуклеиновыми кислотами и их предшественниками, измеряя падение скорости окисления аскорбата, катализируемого Сu2+. Ими было выявлено удивительное сродство ну­клеиновых кислот и некоторых их предшественников к ионам меди. Комплексирующая сила нуклеотидов превышала таковую большинства амино­кислот. Эти взаимодействия, по их мнению, имеют отношение к биологи­ческой роли РНК и ДНК.

М.М.Окунцов, В.Г.Врублевская и Т.А.Зайцева (1966) показали в опытах с проростками пшеницы повышение под влиянием меди биосин­теза аденина, аденозина и аденозинмонофосфата. Особенно увеличился синтез аденина, содержание его возросло в 2.2 раза по сравнению с конт­ролем. Содержание же АТФ и АДФ под влиянием меди не повысилось.

Большой интерес представляет вопрос о значении меди в ауксиновом обмене. Эркама (Erkama, 1950), Виртанен (Virtanen, 1953) и Островская (1956) обнаружили факты прямой зависимости между содержанием меди в семенах злаков и бобовых и энергией их прорастания. В опытах Л.К.Островской недостаток меди при прорастании семян с низким ее содержанием как бы компенсировался обработкой их раствором β-индолилуксусной кислоты, значительно повышающей энергию прорастания семян, тогда как при обработке раствором медной соли семян с более вы­соким содержанием меди подобный эффект не наблюдался. Сопоставление этих данных с имеющимися в литературе сведениями о более быстром про­растании семян с большим естественным запасом ауксинов позволило М.С.Гамаюновой (1965) предположить участие меди в процессах обмена ростовых веществ. Такое же мнение было высказано еще раньше и Л.К.Островской (1956) на основании полученных ею данных об усилении активности аскорбинатоксидазы в проростках риса при обработке семян раствором индолилуксусной кислоты и высокой активностью этого фермента в проростках из семян с высоким содержанием меди. Это подтверждается также данными ряда авторов (Ванюгина, 1959; Зиновьев, Наумова 1959) о наличии положительной корреляции между содержанием в тканях индолилуксусной кислоты и активностью медьсодержащего фермента аскорбинатоксидазы.

В опытах М.С.Гамаюновой (1965) с рисом и озимой пшеницы также обнаружено более высокая интенсивность прорастания семян при более высокой естественной или искусственной (путем обработки их солями меди) обогащенности семян медью. Гамаюнова установила наиболее высокое содержание триптофана в обогащенных медью семенах в период набуха­ния и прорастания. Это привело ее к предположению, что одной из форм участия меди в прорастании семян является ее участие в процессах, обес­печивающих усиление синтеза триптофана, являющегося предшественни­ком индолилуксусной кислоты.

Вместе с тем, имеются сведения о том, что медь и железо способствуют окислению индолилуксусной кислоты с помощью перекиси водорода. Мы имеем в виду данные о способности перекиси водорода косвенно инактировать эту кислоту путем увеличения уровня активного кислорода при кислотном или светокатализируемом распаде, или в растворах со следами некоторых металлов. Ион меди и ион железа, в частности в меднопиридиновых комплексах, катализируют окисление индолилуксусной кислоты перекисью водорода (Turian, 1957). Как ион меди, так и медные комплексы могут катализировать окисление этой кислоты также атмосферным кисло­родом. Поскольку индолилуксусная кислота и продукты ее распада могут также связывать медь, Туриан предположил в случае с медью автокаталитический характер процесса окисления.

Бриггс и Рей (Briggs, Ray, 1956) обнаружили, что медьсодержащий фермент - полифенолоксидаза может, также как и железосодержащие ферменты — пероксидазы и каталаза, окислительно инактировать индолилуксусную кислоту при добавлении катехина или пирогаллола.

Имеются также данные о снижении медью ингибирующего действия высоких доз ауксина на рост Nectria galliegene. Это действие меди является косвенным и связано с повышением под ее влиянием активности полифенолоксидазы инактивирующей ауксин. Фудживара и Тсутсуми (Fujiwara, Tsutsumi, 1954) приводят данные своих работ с ячменем, в которых пока­зано значительное снижение активности ауксиноксидазы под влиянием недостатка меди и молибдена. Эта активность может быть восстановлена при добавлении меди, но не молибдена. Недостаток цинка, марганца и бора не оказывает влияния на активность этого фермента. Отсюда авторы предположили, что ауксиноксидаза является медьсодержащим ферментом.

Известно, что растения рода Brassica отличаются большим разнообра­зием индольных соединений. Обнаруженный в них глюкобрассицин яв­ляется предшественником стимуляторов роста индолилацетонитрила и индолилуксусной кислоты. Михайловский и Седляк (Michajlovsky, Sedlak, 1972) обнаружили действие ионов меди на превращение глюкобрассицина в индолилацетонитрил. Это действие меди очень специфично. Ионы других металлов, а именно Fe2+, Fe3+, Mg2+, Mn2+, Сo2+, Ni2+, Hg2+, Cd2+ и Zn2+ вели к образованию только следов ауксина.

На колеоптилях пшеницы и проростках гороха карликового было показано, что индолилуксусная и гибберелловая кислоты в стимулирующих рост концентрациях проявляли антагонизм к ионам металлов, причем наиболее сильно проявлялся антагонизм между гибберелловой кислотой и медью (Ivanowa, Bakardjieva, 1968). Позднее этими же авторами было со­общено о снижении содержания эндогенных гиббереллоподобных веществ в растениях конопли при опрыскивании ее нетоксическими, концентра­циями меди раздельно и совместно с гибберелловой кислотой.

Страницы: 1, 2, 3