Значение цинка в жизнедеятельности растений (часть 5)
К цинксодержащим дегидрогеназам, требующим для своего действия наличия пиридиннуклеотида, относится алкогольдегидрогеназа — фермент, полученный в кристаллическом виде из пивных и хлебных дрожжей (цинка 0,18%), печени лошади, свиньи и быка. Фермент содержит четыре атома цинка в дрожжевой и 2 M в печеночной алкогольдегидрогенезе на одну молекулу фермента, которые тесно связаны с апоферментом. Связь цинка с пиридиннуклеотидом осуществляется через адениновый компонент (Теорелл, 1962).
Глутаматдегидрогеназа (цинка 0,02—0,03%), полученная после очистки из печени быка, по ряду признаков несколько отличается от других ферментов этой группы. Так, все цинксодержащие дегидрогеназы при наличии пиридиннуклеотидов действуют на первичную и вторичную спиртовые группы, тогда как глутаматдегидрогеназа катализирует обратимое окислительное дезаминирование аминокислот. В молекуле фермента содержится от двух до четырех атомов цинка (Хох, Валли, 1962).
Лактатдегидрогеназа, катализирующая окислительно-восстановительное взаимопревращение молочной и пировиноградной кислот, содержит (в зависимости от объекта выделения) 400—700 мкг цинка на 1 г белка, что объясняется неоднородностью фермента и наличием многих лактатдегидрогеназ в одном органе. Фермент угнетается рядом связывающих металлагентов. Угнетение можно предотвратить и снять, добавив ионы цинка. Инактивация фермента ортофенантролином является конкурентной по отношению к дифосфопиридиннуклеотиду, что указывает на присоединение кофермента к белку в участке, содержащем атом цинка, или возле него.
Исследование химического состава и активности других дегидрогеназ показало, что цинк, медь и железо являются единственными металлами, которые постоянно находятся в значительных концентрациях в глицер-альдегид-3-фосфатдегидрогеназе из дрожжей и мышц кролика, глюкозо-6-фосфатде-гидрогеназе из дрожжей, формидегидрогеназе из гороха, изоцитрадегидро-геназе из дрожжей и малатдегидрогеназе из сердечной мышцы свиньи. Нахождение металлов почти во всех дегидрогеназах позволило Xoxy и Валли (1962) высказать гипотезу, согласно которой металл является неотъемлемым компонентом многих (если не всех) дегидрогеназ, требующих для своего действия наличия пиридиннуклеотида. Поскольку перечисленные ферменты в чистом виде еще не получены, для доказательства полной правильности данной гипотезы необходимо их тщательно исследовать.
Цинк оказывает активирующее или тормозящее действие на ряд ферментов растений и микроорганизмов, в молекулу которых он не входит. Например, Медина и Николас (Medina, Nicholas, 1957) показали, что у плесени, произрастающей на хлебе, при недостатке цинка наблюдаются характерные изменения ферментативных процессов: понижается активность гексскиназы, которая восстанавливается в течение 12 час при добавлении цинка к культуре. Исследование томатов, выращенных при недостаточности цинка, позволяет предполагать, что он играет какую-то роль в активировании гексокиназы тканей этих растений. По данным Шальтенене (1965), активность гексокиназы не изменялась при намачивании семян кукурузы в растворе сернокислого цинка, однако активность альдолазы при этом резко возрастала (на 25%). У люпина под влиянием цинка отмечено увеличение активности обоих ферментов. Тот факт, что цинк имеет большое значение в деятельности альдолазы, делает понятным его роль в углеводном обмене.
Недостаточность цинка вызывает у грибов Rhizopus nigricans снижение активности фермента карбоксилазы пировиноградной кислоты; высказано предположение, что цинк, хотя и не входит в состав фермента, но необходим для его синтеза (Фостер, 1950). Аналогичные предположения высказаны и относительно декарбоксилазы щавелевоуксусной кислоты.
Садасиван (Sadasivan, 1950) обнаружил, что из всех металлов только цинк оказывает большое влияние на фосфатазу и предположил, что она является цинксодержащим ферментом. В малых дозах цинк активирует пирофосфатазу (аденилилкарбонатпирофосфорилазу). Об активации цинком фосфатаз указывают Т.А. Парибок (1963), С.А. Сташаускайте (1962), Е. Шальтенене (1965), Вильямс (Williams, 1962) и Рид (Reed 1946).
По данным Музами и других (Musami а. о., 1953), цинк наряду с кадмием и марганцем является кофактором l-гистидиндиаминазы. В.Е. Мицык (1965) установил активацию цинком трипсина; А.X. Кустова (1962) — протеаз, липаз и инвертазы; П.А. Власюк, М.С. Дарменко и Л.Я. Кошлак (1965) — амилазы, протеаз и липазы. Гриммом и Алленом (Grimm, Allen, 1954) показано, что цинк участвует в образовании цитохромов а и b и что без него резко угнетается деятельность цитохромоксидазы. О влиянии цинка на активность цитохромоксидазы в листьях баклажанов и капусты пишет Д.А. Алиев, (1964). Т.П. Сингер и Э.Б. Кэрни (1962), рассматривая вопрос о роли металлов в металлофлавопротеинах, указывают, что цинк является одним из активаторов d-лактат-цитохром-редуктазы после обработки последней комплексообразователем. Однако цинк может быть не только активатором, но и ингибитором ряда ферментов. В частности, имеются сведения о торможении цинком активности таких ферментов, как 3-нуклеотидаза и рибонуклеаза, тирозиназа (Важенин, Белякова, 1952).
Большое количество работ посвящено вопросу о влиянии цинка на окислительно-восстановительные ферменты — каталазу, пероксидазу, полифенолоксидазу.
Исследованиями М.Я. Школьника и С.А. Абдурашитова (1958), Л.В. Колесника (1963), Н.И. Березницкой и П.П. Левенец (1963), М.Г. Абуталыбова (1956), А.З. Ламбина (1952), А.X. Кустовой (1962) и других, проведенными в почвенных условиях с различными культурами (зерновыми, кукурузой, хлопчатником, томатами, виноградом), было установлено положительное влияние цинка на активность каталазы, пероксидазы и полифенолоксидазы. В то же время в опытах М. Г. Абуталыбова (1956), И.Г. Важенина и В.И. Беляковой (1952), Бина (Bean, 1942), Рида (Reed, 1946), выполненных в почвенных культурах и условиях искусственно созданной цинковой недостаточности, было показано, что активность указанных ферментов, наоборот, выше у цинкдефицитных растений.
М.Г. Абуталыбов с сотрудниками (1961) отмечает, что участие цинка в общей цепи окислительно-восстановительных процессов характеризуется большей частью усилением восстановительных процессов, чем он существенно отличается от марганца и меди, способствующих усилению окислительных процессов и образованию в растениях более окисленных соединений. Как показал ряд исследований, отсутствие цинка сказывается в первую очередь на усилении окислительных процессов, что ведет к разрушению физиологически активных веществ. Т.А. Парибок и Г.Н. Кузнецова (1963) высказали мнение, что угнетение или активация ферментов, не содержащих цинка (каталазы, пероксидазы, полифенолоксидазы, фосфатаз), объясняются нарушением синтеза ферментных белков в этих условиях.
Роль цинка в окислительно-восстановительных процессах нельзя рассматривать в отрыве от влияния его на процесс дыхания. К сожалению, исследования по этому вопросу очень немногочисленны. Н.С. Петинов, Ю.Г. Молотковский, П.С. Федоров (1963), применяя цинк для повышения жароустойчивости сахарной свеклы, нашли, что он стабилизирует дыхание растений при высоких температурах. Авторы высказывают предположение, что под влиянием цинка в листьях сахарной свеклы активируется «флавиновая» фаза дыхания, обладающая повышенной устойчивостью к перегреву. Кроме того, цинк повышает устойчивость связи дыхания с окислительным фосфорилированием. Нами совместно с М.С. Дарменко и Л.Я. Кошлак (1965), а также другими исследователями (Бойко, Разорителева, 1961; Сербии, 1965; Школьник, Абдурашитов, 1958; Таги-Заде, 1956) получены данные об увеличении интенсивности дыхания под влиянием цинка, хотя имеются также сообщения об отсутствии влияния цинка на дыхание (Суйковский, 1963). Таким образом, необходимы более обширные и глубокие исследования участия цинка в дыхательных процессах растений.
Цинк участвует в синтезе хлорофилла и оказывает влияние на фотосинтез и углеводный обмен у растений. Материала по этому вопросу довольно много. Н.Н. Гортыков (1938), 3. Суйковский (1963), Л.В. Колесник (1963), М.Ф. Охрименко (1965), С. С. Сербии (1965) и другие указывают на значительное повышение биосинтеза хлорофилла (в два-три раза) под влиянием цинка в листьях сахарной свеклы, кукурузы, проса, ячменя, винограда и цитрусовых; в листьях кукурузы, проса и ячменя это увеличение идет в основном за счет хлорофилла а.
По данным Ф.М. Реда (1963), цинк способствовал усилению биосинтеза хлорофилла b у льна, в то время как в исследованиях Г.А. Липской (1963) увеличение объема хлоропластов и их количества при обработке семян сахарной свеклы раствором сернокислого цинка сопровождалось повышением содержания хлорофиллов а и в, а также карогиноидов. Н.И. Березницкая, П.П. Левенец (1963) сообщают, что у кукурузы под влиянием цинка содержание хлорофилла в листьях почти не изменяется, но значительно возрастает количество каротина. О влиянии цинка на синтез каротиноидов сообщали П.Р. Загриценко (1959), В.П. Боженко (1958), В.С. Денисьевскин и В.Ф. Навроцкая (1965).
М.Я. Школьник и В.Н. Давыдова (1959) отмечают, что при цинковой недостаточности синтез хлорофилла у растений угнетается. При внесении цинка у растений увеличивалось содержание хлорофилла и повышалась интенсивность фотосинтеза. На положительную роль цинка в процессе фотосинтеза указывают А.А. Рихтер и H.Г. Васильева (1940, 1941), Г.П. Устенко (1941, 1950), М.Я. Школьник и В.Н. Грешицева (1958), П.А. Власюк, Э. В. Рудакова (1959), Лусталот с сотрудниками (Loustalot, Muzik, 1957) и другие; следует отметить, что наиболее сильное положительное влияние на фотосинтез цинк оказывает при высоких критических температурах, резко снижающих интенсивность этого процесса (Школьник, Давыдова, 1959; Школьник, Сааков, 1964), а также при дефиците влаги в почве (Таги-Заде, 1957).
Пo данным М.Я. Школьника и Т.В. Чирковой, цинк оказывает незначительное положительное или даже отрицательное влияние на фотосинтез кукурузы в ранние периоды роста и значительно повышает его интенсивность в момент начала старения листа, что указывает на способность этого микроэлемента дольше сохранять жизнеспособность листа на высоком уровне. Имеются сообщения о снижении под влиянием цинка возрастной и полуденной депрессии фотосинтеза (Таги-Заде, 1958; Школьник, Грешищева, 1957; Школьник, Сааков, 1964). По данным Э.В. Рудаковой (1958), внекорневая подкормка сахарной свеклы раствором сернокислого цинка не только повышает фотосинтез в дневные часы (когда у контрольных растений наблюдается полуденная депрессия), но и удлиняет время ассимиляции, что, по мнению Л.А. Иванова (1941), является важным условием в повышении продуктивности фотосинтеза и урожая. Под влиянием цинка продуктивность фотосинтеза возрастала у хлопчатника (Таги-Заде, 1957) и сахарной свеклы (Сербии, 1965). В листьях тополя цинк способствовал увеличению продуктивности фотосинтеза и включению углерода (С14) в спирторастворимые и кислоторастворимые фракции (Побегайло, 1962).
Роль цинка в процессе фотосинтеза может быть объяснена следующим образом: во-первых, он входит в состав, хлоропластов и, по данным Спенсера и Поссингема (Spencer, Possingham, 1960), в гранах хлоропластов участвует в фотохимических реакциях; во-вторых, он входит в состав или активирует ряд ферментов углеводного обмена — альдолазу, энолазу, карбоксилазу и другие, усиливая передвижение ассимилятов, что также способствует повышению интенсивности фотосинтеза. Еще Чэндлер (Chandler, 1937), наблюдая, что цинковая недостаточность сильнее проявляется у растений с высоким содержанием углеводов, пришел к заключению, что цинк подавляет какие-то процессы углеводного обмена. Рид (Reed 1946), получив данные о влиянии цинка на углеводный обмен, высказал предположение, что этот микроэлемент участвует в реакциях углеводного обмена. При недостатке цинка в листьях обнаруживается больше редуцирующих сахаров и меньше сахарозы и крахмала. Честерс и Ролинсон (Chesters, Rolinson, 1951) отмечали, что при недостатке цинка нарушается обмен крахмала и происходит расстройство углеводного обмена.
Ряд исследователей указывает на то, что при внесении цинковых удобрений в растениях увеличивается содержание как моно- и дисахаров, так и инертных форм углеводов — гемицеллюлозы (Абуталыбов, 1956, 1959; Боженко, 1956, 1958; Крауя, 1958; Алиев, 1959; Кустова, 1962; Сташаускайте, 1962; Колесник, 1963; Колесник, Тимошенко, 1963; Мамедов, 1963; Шальтенене, 1965).
О влиянии цинка на синтез крахмала в литературе имеются противоречивые данные. Одни исследователи (Боженко, 1956, 1958; Сташаускайте, 1962) считают, что под влиянием цинка содержание крахмала повышается, другие (Кустова, 1962), — что оно не изменяется. М.Я. Школьник и В.Н. Грешищева (1958) показали, что влияние цинка на процессы синтеза или гидролиза зависит от фона, на котором выращиваются растения. Количество сахарозы и крахмала в листьях гречихи и пшеницы на аммиачном фоне от добавления цинка увеличивалось, а на нитратном — уменьшалось; содержание моносахаров, наоборот, уменьшалось на аммиачном и увеличивалось на нитратном.
Улучшение оттока углеводов из листьев растений, получавших дополнительное внесение цинка (Боженко, 1956, 1958; Школьник и Абдурашитов, 1958; Власюк, Рудакова, 1959; Загриценко, 1959; Бойко и Разорителева, 1962), очевидно, связано с влиянием этого микроэлемента на энергетическую сторону обмена веществ, в частности на образование АТФ. Так, при цинковой недостаточности содержание фосфора АТФ у растений резко снижалось, а при внесении цинка — повышалось (Парибок, Кузнецова, 1963), особенно при высоких температурах (Боженко, Школьник, Момот, 1963). Шальтенене (1965) три обработке семян кукурузы раствором цинковых солей наблюдал в проростках уменьшение фракции неорганического фосфора и увеличение фракции лабильного фосфора, основную часть которого составляет фосфор АТФ. Вместе с тем следует отметить, что в опытах Уиндера и О'Хара (Windner, O’hara, 1961) с микроорганизмами при недостатке цинка и железа содержание АТФ, наоборот, повышалось. Такая противоречивость полученного фактического материала требует проведения специальных исследований по выяснению влияния цинка на энергетический обмен.
Вообще необходимо отметить, что фосфорный обмен при цинковой недостаточности у растений мало изучен. Так, Рид (Reed, 1946) с помощью цитохимических реакций обнаружил повышение содержания неорганического фосфора в листьях растений при недостатке цинка. Японские исследователи Фуивара и Цуцуми (Fujiwara, Tsutsumi, 1961) показали, что при недостатке цинка у ячменя значительно возрастает количество неорганического фосфора и снижается — органического кислоторастворимого, а также фосфора фосфолипидов и ДНК.
