Новости

В Министерстве сельского хозяйства России прошло обсуждение урегулирования стоимости зерна на внутреннем рынке. Об этом говорится на официальном сайте ведомства.



Обработка земельных участков с помощью гербицидов для борьбы с борщевиком, согласно предварительной информации, будет стоит Московскому региону примерно двадцать три тысячи рублей на каждый гектар. Подобные сведения во время прямого эфира на «Радио 1» озвучил глава сельскохозяйственного Департамента Московского региона Андрей Разин.



Руководитель сельскохозяйственного Департамента Московского региона Андрей Разин стал участником встречи сотрудников органов исполнительной власти с сельскими тружениками области. В ходе мероприятия обговорили важнейшие вопросы, с которыми сталкивается агротехнический комплекс.


Яндекс.Метрика
Формы и функции молибдена в растениях

Д. Арнон и П. Стоут открыли необходимость молибдена для высших растений, изучая рост томата в гидропонике. В растениях молибден находится главным образом в виде аниона MoO4в2-. Как компонент в составе ферментов может быть и в таких степенях окисленности, как Mo(IV) и Mo(VI). Основные биохимические функции молибдена связаны с его способностью изменять валентность и участвовать в реакциях комплексообразования.
Известно более SO ферментов, содержащих молибден, большей частью они находятся в бактериях. В растениях обнаружено только несколько ферментов, содержащих молибден в качестве кофактора: нитратредуктаза, нитрогена за, ксантиноксидаза/дегидрогеназа, альдегидоксидаза к, возможно, сульфатредуктаза. В этих энзимах молибден выполняет каталитическую и структурную функции.
Молибдокофакторы. У всех организмов молибден связан в комплекс с птерином (рис. 2.13), при этом формируются так называемые молибдокофакторы (Мосо). Свободные ионы молибдена каталитически неактивны. У нитратредуктазы и других Мо-ферментов (кроме нитрогеназы) Moco идентичны. В координации Mo(VI) участвует птериновое кольцо, т. е. 6-замещенный птерин с четырехуглеродной боковой цепью, содержащей дитиольную, гидроксильную и фосфатную группы.
Формы и функции молибдена в растениях

В клетке выделяют три фракции Мосо:
1) свободная, или элементарная форма;
2) связанная с белковым фрагментом фермента;
3) связанная с белком фермента.
Элементарный Moco активен в препаратах, не прошедших кислотную и термическую обработку в присутствии протекторов и избытка молибдата. В свежевыделенных препаратах ксантиноксидазы содержание элементарного Moco не превышает 2-3%, в то время как после трех-четырех суток хранения оно может увеличиваться в 10-20 раз.
В ферментах основная функция Moco — каталитическая. Элементарному молибдокофактору присуща собственная нитратредуктазная активность. Кроме того, Moeo выполняет структурную функцию, объединяя субъединицы фермента в олигомерный комплекс. Структурная роль Moco проявляется независимо от выполнения им каталитических функций. Вероятно, функциональные группы кофактора, участвующие в самосборке фермента, отличаются от групп, обладающих каталитической активностью. Связь элементарного Moco с белком ферментов осуществляется через аминокислотные остатки. Поэтому при отделении кофактора от белка в препаратах Moco обнаруживается пептидный компонент, который включает аспарагиновую кислоту, серин, глутаминовую кислоту, глицерин, аланин, валин и др.
В олигомерном комплексе Mo-ферментов Moco связан с определенным белковым фрагментом, молекулярная масса которого существенно меньше массы всего фермента. Эту фракцию Moco рассматривают как элементарную белоксодержащую ячейку Mo-фермента, которая стабильнее нативного фермента или свободного кофактора. Мосо, связанный с белковым фрагментом, также обладает каталитической активностью, например нитратредуктазной, которая выше, чем у элементарного кофактора, но ниже, чем у нативного фермента.
С молекулой белка фермента Moco связан нековалентно. Эти связи гидрофобные и чувствительные к кислороду, они разрушаются при сравнительно слабых внешних воздействиях. Поэтому Mo-фермент может быть относительно легко разрушен, что в первую очередь сопровождается диссоциацией молибдена. Присоединение Moco к белку также происходит довольно легко. По-видимому, непрочность связи молибдокофактора с белком фермента закреплена эволюционно и обусловлена участием Moco в работе нескольких ферментов. Правда, у разных ферментов прочность связи Moco с апобелком варьирует. С белком ксантиноксидазы молибдокофактор связан прочнее, чем с белком нитратредуктазы. Поданным рентгенокристаллографических исследований молибдоптерин локализован в глубине белка Мо-ферментов, устойчив к окислению и сохраняет активность даже после инактивации фермента. Высвобождение Moco из молекулы фермента сопровождается потерей атома молибдена и утратой функций кофактора в результате окисления. В целом птериновая структура Moco уникальна, она играет важную роль в поддержании необходимых окислительно-восстановительных состояний молибдена в ферментах.
Молибдокофактор нитрогеназы (FeMoco) имеет ряд своих особенностей. Это нерастворимое в воде вещество коричневого цвета, содержащее кроме молибдена семь атомов негемового железа и девять атомов серы, со следующими степенями окисления металлов в покоящемся состоянии [Mo4- 6FeJ+ Fe3+ 9S2-]+. Молибдокофактор нитрогеназы выполняет каталитическую и структурную функции. Каталитическая функция подробно описана раньше. Структурная функция FeMoco заключается в объединении мономеров MoFe-белка в димеры. Участки белка (аргинин, лизин, аспартат, глутамат), связывающие FeMoco, существенно влияют на его электростатическое состояние.
Кроме нитрогеназы, содержащей молибден, выявлена альтернативная ванадиевая нитрогеназа (V-нитрогеназа). Ее существование доказано методами генной инженерии на примере штаммов двух видов азотобактера, лишенных структурных генов для Мо-содержащей нитрогеназы. Синтез этими бактериями V-нитрогеназы происходит в условиях дефицита молибдена и обеспеченности ванадием. V-нитрогеназа, как и Мо-нитрогеназа, состоит из двух компонентов — V-Fe-белка и Fe-белка. Уникальная способность V-нитрогеназы состоит в ее способности восстанавливать в ограниченном количестве ацетилен до этана.
Биосинтез. Биосинтез Moco состоит из четырех этапов. На первом этапе формируется белок, свободный от атомов серы, — предшественник Z. Эта реакция катализируется белками Сnх2 и СnхЗ, первый из них содержит Fe-S-кластер. На второй стадии сера транспортируется с участием молибдоптеринсинтазы к предшественнику Z и формируется птерин, не содержащий молибдена. На третьей стадии происходит связывание молибдоптерина с аденилатом, что сопровождается в присутствии Mg2+ гидролизом АТФ. Непосредственное образование Мосо, т. е. включение атомов молибдена в птерин, происходит на завершающем этапе с участием меди. В этом случае медь необходима для защиты от окисления дитиоловых групп молибдоптерина и/или подготовки его групп для связывания молибдена.
Вновь синтезированный Moco включается в состав апофермента или связывается с транспортным белком MCP (Мосо carrier protein), который защищает его от окисления до момента включения Мосо в состав Mо-фермента. Впервые такой белок массой 16 кД. способный защищать Мосо от окисления, обнаружен у зеленой водоросли С. rhеinhardtii. У высших растений белок, гомологичный таковому у С. rheinhurdtii, подобен лизинкарбоксилазе.
По электронной конфигурации Mo(VI) сходен с ванадием и особенно с вольфрамом, имеющим одинаковые с молибденом атомный и ионный радиусы, близкие значения электроотрицательности и других параметров, характеризующих комилексообразующие свойства. Функции вольфрама в ферментах примитивных организмов сопоставимы с функциями молибдена в ферментах высших организмов. Кроме того, в ферментах оба элемента (Mo и W) могут связываться одним и тем же лигандом. У большинства прокариот и эукариот вольфрам — антагонист молибдена и легко замещает последний в составе неактивных аналогов молибденсодержащих ферментов. Поэтому вольфрам часто используют при исследовании структуры и свойств молибденовых ферментов.
Большинство прокариот и эукариот легко замещают in vivo молибден в Мо-ферментах на вольфрам, в результате образуются неактивные вольфрамовые аналоги Мо-ферментов. Для нитратредуктазы это показано в работах, выполненных с растениями, грибами, водорослями, микроорганизмами. При этом инактивация Мо-ферментов, вызываемая вольфрамом, обычно обратима.
Вольфрам может также стимулировать нитратредуктазную активность у растений и микроорганизмов. Культивирование толерантных к избытку солей дрожжей Rhodotorula glutinis в среде, одновременно содержащей молибден и вольфрам в эквимолярном количестве, сопровождалось стимуляцией вольфрамом активности нитратредуктазы. Однако в составе HP вольфрам не обнаружен, его действие проявлялось только на уровне экспрессии Мосо. В растительной ткани более 35% HP обнаруживается в состоянии холофермента — фермента с молибдокофактором, лишенным молибдена. Именно эта часть фермента, сохраняющая способность координировать металлы, может стабилизироваться, т. е. защищаться от протеолиза и других процессов, приводящих к инактивации фермента, вольфрамом.
Выявлены организмы, предпочитающие вольфрам молибдену. Например, из клеток гипертермофильных архей выделены ферменты: формиатдегидрогеназа, формат-дегидрогеназа, ферредоксиноксидоредуктаза редуктаза карбоксикислот и др., которые содержат в активном центре вольфрам и не способны замещать его молибденом. Кроме того, идентифицированы ферменты (формилметанофурандегидрогеназа, триметиламин-N-оксидредуктаза и др.), проявлявшие каталитическую активность как с молибденом, так и вольфрамом. Активный центр этих ферментов — молибдоптерин способен координировать тот и другой микроэлемент. Мезофильные микроорганизмы синтезируют преимущественно Mо-ферменты, тогда как гипертермофильные бактерии и архебактерии — W-ферменты. Археобактерии — наиболее древние организмы, поэтому предполагают, что кофактор этих ферментов, включающий молибдоптерин и вольфрам, но лишенный нуклеотида, был предком современных молибдокофакторов динуклеотидной природы.
Вероятно, в ходе эволюции жизненных форм возрастание биологической роли молибдена и снижение значения вольфрама происходило вследствие специфики физико-химических свойств этих элементов и смены условий среды обитания живых организмов. В анаэробных условиях вольфрам был доступнее организмам, чем молибден, так как вольфрамовые соединения лучше растворяются в сульфидной среде. В аэрируемых растворах, напротив, вольфрам формирует W(OH)4 — соединение, осаждающееся в слабокислой среде, а анион MoO4в2- остается в растворе. По этим причинам вольфрам в высших растениях не несет важной физиологической нагрузки и не рассматривается как необходимый микроэлемент.
В клетках восстанавливающей ванадат бактерии Pseudomonas isachenkovii (культивировали на среде с высоким содержанием ванадия: 0.S r/л) выделена периплазматическая HР, содержащая вместо молибдена ванадий. В форме HP, связанной с мембраной, ванадий не был обнаружен. Обе формы HP (периплазматическая и связанная с мембранами) не содержали молибдокофактора. Между содержанием в ферменте ванадия и нитратредуктазной активностью выявлена связь. Предполагают, что бактерии P. isachenkovii реализовали в ходе эволюции независимый от Мосо путь диссимиляции нитратов.
Основная информация о таких Mo-ферментах, как нитратредуктаза, нитрогеназа и ксаитиндегидрогеназа, приведена раньше. Дополнительно отметим, что в связи с участием молибдена в восстановлении NO3- наибольшую потребность в этом микроэлементе испытывают растения, выращиваемые на нитратном, а не на аммонийном фоне. Этот вывод основан на результатах экспериментов, проведенных в стерильных условиях. Потребность в молибдене повышена у бобовых растений и у небобовых, способных к N2-фиксации. Так, молибденовые удобрения повышают содержание азота в листьях и урожай семян только у N-дефицитных растений сои, зараженных клубеньковыми бактериями. Однако у бобовых в присутствии нитратов активность нитрогеназы может быть подавлена, что объясняют перехватом в этих условиях потока электронов и АТФ нитратредуктазой, содержащейся в бактероидах клубеньков. Отметим, что эта точка зрения разделяется не всеми авторами. В клетках азотфиксаторов и бактероидах клубеньков HP и нитрогеназа конкурируют за молибден. У желтого люпина максимальная конкуренция проявляется в фазе бутонизации, когда синтез HP в листьях и нитрогеназы в клубеньках наиболее активен. При недостатке в среде молибдена нитрогеназа перехватывает этот элемент, что сопровождается значительным снижением активности HP. При выращивании бобовых на нитратном фоне конкуренция за молибден HP и нитрогеназы усиливается, а при достаточном снабжении растений молибденом элиминирует. Нитратредуктаза как Mo-фермент преобладает в листьях. Молибден необходим бобовым и для нормальной работы ксантинодегидрогиназы. Этот фермент катализирует метаболизм пуринов и контролирует формирование уреидов.
Альдегидоксидаза. Этот фермент очень похож на ксантиндегидрогеназу по молекулярной массе, гомологии, кофакторам, форме (состоит из двух субъединиц) и каталитическому действию. Судя по филогенетическому анализу альдегидоксидаза происходит от ксантиндегидрогеназы после дупликации античных генов. Относится к группе строгих оксидаз. т. е. этот фермент не способен связывать НАД+, используя кислород в качестве исключительного акцептора электронов и, как следствие, продуцируя пероксид водорода. Одна из изоформ альдегидоксидазы (ААО3) предпочтительно использует в качестве субстрата абсцизовый альдегид — предшественник фитогормона абсцизовой кислоты. Этот фитогормон необходим для регуляции многих процессов развития, а также осуществления ответных реакций растений на биотический и абиотический стресс. В условиях стресса (засоление, засуха и др.) или в отсутствие нитрата Мосо преимущественно приурочен к альдегидоксидазе. В результате проявляется универсальная реакция растений на стресс: накопление в растительных тканях АБK и торможение роста.
Сульфитоксидаза. Фермент хорошо изучен у микроорганизмов, катализирует окисление сульфита (SO3в2-) до сульфата (SO4в2-). В отличие от животных у растений сульфитоксидаза не содержит в своем составе цитохрома b5, Таким образом, растительная сульфитоксидаза — самый простой по структуре Mo-фермент, обнаруженный и клетках эукариот. Его окислительно-восстановительный центр содержит только Мосо. Восстановление сульфида сопровождается переносом двух электронов, восстанавливающих Mo-центр фермента: Mo (VI) до Mo(IV). В растениях сульфитоксидаза переносит электроны на молекулярный кислород, что сопровождается образованием пероксида водорода. В клетках животных электроны передаются на Fe3+-гем цитохрома b5 и в конечной стадии — на внешний акцептор электронов цитохром с.
Сульфитредуктаза. В растительных клетках сульфитредуктаза обнаружена в пероксисомах, ее роль в этих органеллах не совсем понятна. Возможно, этот фермент необходим для удаления из клетки сульфитов, накапливающихся вследствие разложения метионина и цистеина или поглощения больших количеств SO2 из атмосферы. Кроме того, функции сульфитредуктазы могут быть связаны с метаболизмом активных форм кислорода, поскольку пероксид водорода — продуцируемый ферментом продукт.
Описанные четыре Мо-фермента (нитратредуктаза, сульфитредуктаза, ксантиндегидрогеназа и альдегидоксидаза) подразделяют на две группы. Ферменты первой группы (нитратредуктаза, сульфитредуктаза) активируются сразу после присоединения Мосо. Для активации ферментов второй группы (ксантиндегидрогеназы и альдегидоксидазы) после присоединения Мосо необходима еще одна стадия: присоединение к Мо-центру неорганической формы серы. Эта стадия в опытах in vivo может осуществляться с помощью белка АВАЗ, обладающего свойствами Мосо-сульфуразы. N-домен этого бел ка способен извлекать элементарную серу путем разложения L-цистеина. С-домен участвует в связывании обогащенного серой Мосо с целевым белком этой группы ферментов. Заключительная стадия присоединения серы представляет собой эффективный путь контроля в клетке количества активных форм ксантиндегидрогеназы и альдегидоксидазы. Концентрация в клетке таких активных соединений, как фитогормоны и активные формы кислорода, продуцируемых с участием ксантиндегидрогеназы и альдегидоксидазы, может быстро возрастать вследствие изменения соотношения между активными и неактивными формами ферментов второй группы. Быстрая индукция генов аbа3 обнаружена у A. thaliana в условиях засухи и солевого стресса.
Другие функции. Принято считать, что в составе ферментов молибден находится в состоянии Mo(YI) и Mo(Y). He исключают, однако, и более низких степеней окисления молибдена (III, IY). В активных центрах ферментов молибден может координироваться с гидроксильными и карбоксильными группами аминокислот, серой цистеина и гистилина, фланиновыми коэнзимами и субстратами. После исследования ксантиноксидазы методом ЭПР установлено, что вероятными лигандами молибдена в этом ферменте могут быть атомы серы и кислорода, в отличие от атомов азота. Функции молибдена состоят s транспорте электронов. Комплексообразующие свойства молибдена оказывают влияние на физико-химические свойства многих соединений растительной клетки. Молибден способствует стабилизации вторичной структуры нуклеиновых кислот. Он понижает гидратацию нуклеиновых кислот, образуя комплексы с функциональными группами, служащими гидратационными центрами. Стабилизация структуры нуклеиновых кислот и изменение их пространственной конформации под влиянием полимеров, образуемых Mo(YI), приводит к блокированию действия ДНК- и РНКазы. Интерпретация связей, образуемых молибдатом с нуклеиновыми кислотами, затруднена. Предполагают, однако, что эти связи типа водородных. В образовании координационных связей с молибденом участвуют и молекулы белка. При этом изменяется распределение электронов и объединяются электронные орбиты белка и молибдена. Такое комплексообразование происходит с переносом заряда. В результате могут изменяться конформация и каталитическая активность ферментов. В живых растительных клетках проявление молибденом регуляторной функции тесно связано со значением pH среды, определяющим образование или разрыв координационных связей молибдена с органическими соединениями.
Молибден способен оказывать антистрессовое действие, в частности, осуществлять криопротекторную функцию. Растения с нормальным содержанием молибдена в тканях лучше выживают в период промораживания, а их репарация после воздействия низких температур протекает быстрее. Под влиянием молибдена в тканях увеличивается содержание линоленовой кислоты и соответственно уменьшается содержание линолевой. Эти изменения коррелируйте морозостойкостью растений. Накопление ненасыщенных жирных кислот повышает текучесть мембран и увеличивает устойчивость клеток к действию низкой температуры. Механизм антистрессового действия молибдена связывают с регулированием активности альдегидоксидазы и нитратредуктазы. Такая регуляция может осуществляться при включении молибдокофактора в состав этих ферментов.
Содержание. Содержание молибдена в растениях сильно варьирует в зависимости от их видовых особенностей и почвенно-климатических факторов. Как правило, в бобовых растениях и небобовых, способных к N2-фиксации, накапливается больше молибдена, чем в растениях других семейств. До 90% представителей семейства бобовых концентрируют этот микроэлемент, и его уровень в растениях существенно превышает содержание в почве. Распределение молибдена по органам изменяется в ходе онтогенеза бобовых (рис. 2.14). У люпина в течение длительного периода вегетации молибден накапливается главным образом в стеблях и клубеньках. Онтогенез люпина, как и других бобовых, заканчивается накоплением молибдена в семенах. Этот процесс усиливается благодаря подкормкам молибденовыми удобрениями растений в периоды их максимальной потребности в этом микроэлементе. У неклубеньковых растений основное количество молибдена локализовано в надземных органах. Так, в листьях хлопчатника содержание молибдена в несколько раз больше, чем в его стеблях и корнях. У льна наибольшие количества молибдена обнаружены в стеблях, а у пшеницы в листьях.
Формы и функции молибдена в растениях

При прочих равных условиях растения, выращиваемые на кислых почвах, содержат меньше молибдена, чем выращиваемые на нейтральных. Известкование кислых почв способствует мобилизации молибдена в почве и увеличению его поступления в растения, этот процесс у бобовых происходит интенсивнее, чем у злаковых. Антагонистами молибдена при поглощении выступают вольфрам и сульфаты. Фосфаты могут усиливатъ поглощение молибдена корнями растений.
Внесение Мо-удобрений в почву способствует обогащению этим микроэлементом практически всех органоидов клетки, но больше всего молибдена накапливается в надосадочной жидкости, ядрах и рибосомах. Молибден также обнаружен в выделенных препаратах ДНК.


© 2012-2016 Все об агрохимии Все права защищены
При цитировании и использовании любых материалов ссылка на сайт обязательна