Значение железа в жизнедеятельности растений (часть 5)
Механизм участия железа в окислительно-восстановительных процессах в клетках живых организмов — бактерий, низших и высших растений и животных — основан на его способности легко переходить из закисного состояния в окисное; железо входит в состав каталазы, цитохромов, цитохромоксидазы, а также активирует ряд других ферментов и ферментных процессов: дыхание, окислительно-восстановительные реакции, синтез углеводов и жирных кислот, нуклеотидов, биполярных молекул белков, гликогена, нуклеиновых кислот и т. д.
Входя в состав истинных ферментов, железо в то же время участвует в ферментных реакциях различных биохимических систем и субстратов: аскорбиновой, индолилуксусной кислот, РНК, фенольных соединений и т. д. Ферредоксин, в состав которого входит железо, является переносчиком электронов, освобождающихся в первичном фотохимическом акте (Аrnon, 1962).
В группах истинных металлоэнзимов железо связано в строго стехиометрических соотношениях с различными химическими группировками апофермента или простетической порфириновой группой. Кроме геминов и хлорофиллов обнаружены у растений (а также у животных организмов и у бактерий) свободные порфирины, образующие непрочные соединения с белками. Образование их возможно путем распада геминовых или других металлосодержащих соединений или непосредственно из предшественников в результате биосинтеза.
Многие анаэробные бактерии, не пользующиеся геминовыми окислительными биокатализаторами с протопорфириновой составной частью, содержат копропорфирин. Дрожжи и плесневые грибы также содержат свободные порфирины и их соли. При этом наблюдается корреляция между содержанием порфиринов у дрожжей, интенсивностью брожения и содержанием железа в питательной среде. Образование порфиринового кольца, а также гемов (комплексов порфиринов с железом) происходит у растений, животных, дрожжей и бактерий. Пути образования порфина и его производных — порфиринов, гемов и хлорофиллов у живых организмов полностью еще не изучены. Железо металлопорфиринов образует рыхлые связи с газообразным кислородом и координационные соединения с аммонием, первичными аминами, гидразином, пиридином и производными имидазола. Железопорфириновые ферменты — каталаза, пероксидаза, цитохромоксидаза и цитохромы — имеют в составе простетических групп железопорфириновые комплексы (феррипротопорфирины и др.).
По механизму действия каталаза и пероксидаза относятся к группе гидропероксидаз, которые широко представлены в клетках животных, растении и микроорганизмов. Пероксидазой богаты высшие растения, особенно крестоцветные; у низших растений и микроорганизмов она встречается реже. Пероксидаза играет важную роль в процессах дыхания растении, легко вступает в реакции с различными органическими перекисями и полифенолами. Цитохром-с-пероксидаза дрожжей, бактерий и некоторых растений окисляет восстановленные формы цитохромов и отличается низким содержанием гематина (около 0,3%). Активность цитохромоксидазы, каталазы и пероксидазы в растениях зависит ог содержания железа и марганца в питательной среде. Добавление к среде, содержащей железо, возрастающего количества марганца повышает активность всех ферментов. Содержание хлорофилла и желтых пигментов, а также фотохимическая активность хлорофилла изменялись в том же направлении, что и активность всех железосодержащих ферментов, кроме цитохромоксидазы (Рубин и Чернавина, 1959).
Железо активной группы пероксидазы в отличие от металла, цитохромов и цитохромоксидазы не изменяет своей валентности на всех стадиях катализа, осуществляемого пероксидазой. Оставаясь трехвалентным, железо стабилизирует определенную формацию белковой молекулы, лишенную триптофана и оксипролина, причем каталитическое действие фермента усиливается при наличии геминного железа.
Цитохромы, участвующие в дыхании, являются железопротеидами. Они широко распространены в составе тканей животных, зеленых растений, грибов и бактерий. Спектр цитохромов близок к спектру гемоглобина и миоглобина. Цитохромы встречаются в восстановленной и окисленной форме и участвуют в переносе электронов от пиридиннуклеотидов и флавопротеидов к цитохромоксидазе и дальше к молекулярному кислороду. Перенос электронов катализируется цитохромоксидазой. Цигохромная система растений функционирует в связи с полифенолоксидазной системой.
М.Я. Школьник и Н.А. Макарова (1950) пришли к выводу, что хлороз у растений льна может быть связан в большей степени с наличием меди, чем с недостатком железа. Вопрос об антагонизме железа и меди, железа и марганца, железа и молибдена и других металлов обсуждался на симпозиумах корневого и почвенного питания растений на Ротамстедской опытной станции в 1950 г. и в Анкаре в 1965 г. (Erkama, 1950; Уоллес, Де-Кок, 1965). Конкурентные отношения железа и меди, а также марганца и цинка подтвердили в дальнейшем Смит и Спект (Smith, Specht, 1953).
Взаимодействие железа и меди, железа и марганца, железа и цинка и других металлов оказывает как непосредственное влияние на поступление металлов в ткани растений, так и косвенное, изменяя все жизненные процессы почвенных железобактерий и их многочисленных конкурентов. В обоих случаях возможны механизмы конкурентного и синергичного взаимовлияния металлов. Комплексные соединения ионов железа, меди, цинка, марганца, молибдена и других металлов с одним или несколькими лигандами представлены максимальным числом наиболее идентифицированных ферментов, в которых металлы создают формации белковых молекул, изменяют электронную структуру субстрата, активируют ферменты, стабилизируют промежуточные соединения и сходные их функции.
В этих взаимоотношениях медь оказывает в большей степени косвенное, чем непосредственное влияние на поступление железа в ткани растений. Ее комплексные соединения активно используются почвенными грибами и бактериями, особенно микроорганизмами, которые способствуют окислению двухвалентного марганца и железа. Отмечено также, что соединения меди для многих микроорганизмов токсичны даже в минимальных концентрациях. Кроме того, в почве встречаются микроорганизмы, накапливающие медь до рудных концентраций. Различные взаимоотношения этих микроорганизмов на перегнойно-карбонатных и торфяных почвах оказывает влияние на поступление меди и железа в растения и на конкретное синергичное взаимовлияние указанных металлов как для растений, так и для микроорганизмов. В связи с этим можно объяснить и кажущиеся противоречивыми факты о сложности взаимоотношений элементов при их поступлении в растение, различном количестве доступных форм элемента в почве и концентрации железа и его антагонистов. Эти соотношения различны у бобовых, злаковых, пасленовых и крестоцветных растений.
