Значение меди в жизнедеятельности растений (часть 3)
Так как описанные эксперименты свидетельствовали о широком распространении пластоцианина в зеленых листьях различных растений, необходимо было изучить локализацию и содержание его в изолированных хлоропластах шпината. Значительное количество пластоцианина было обнаружено в водном экстракте обработанных ацетоном целых хлоропластов. Относительная концентрация пластоцианина в хлоропластах, выраженная отношением молей хлорофилла на 1 г-атом меди выделенного пластоцианина, находилась в пределах 300—400. Суспензию хлоропластов разбавляли десятикратным объемом чистой воды (гипотоническая обработка) и затем 1 мл ее выдерживали при 0° С, удаляя обработанные хлоропласта центрифугированием при 20 000 g в течение 20 мин. Значительное количество пластоцианина оставалось в надосадочной жидкости. Было установлено, что граны содержат пластоцианин в несколько меньшей концентрации, что свидетельствует о некоторой его потере во время дезинтеграции. Таким образом, пластоцианин широко распространен среди фотосинтезирующих организмов, в том числе у высших растений и водорослей (исключение составляют пурпурные бактерии). В хлоропластах он находится в высокой концентрации — порядка один атом меди пластоцианина на 300 молекул хлорофилла. Предполагают, что пластоцианин входит в состав содержащих хлорофилл сложных субструктурных компонентов хлоропластов.
Отношение пластоцианина к цитохрому составляет около 1,3. На медь, выделенную из пластоцианина, приходится половина меди, находящейся в хлоропластах. По-видимому, часть меди, не извлекаемая из хлоропластов при выделении пластоцианина, представляет собой или особую форму прочно связанного пластоцианина, или является медью полифенолоксидазы. Тот факт, что пластоцианин не обнаружен в фотосинтетических бактериях, может свидетельствовать о том, что он участвует в деятельности системы, выделяющей кислород, которая отсутствует в фотосинтетической системе пурпурных бактерий. Другая гипотеза предполагает функционирование его в качестве звена в системе транспорта электрона и водорода в реакции Хилла.
Вегтлин, Джонсон, Розенталь (1931) указывают на то, что только медь, палладий и золото вызывают ускорение окисления глутатиона, но и из этих катализаторов наиболее эффективной оказалась медь. Механизм окисления глутатиона медью авторы представляют себе как реакцию меди с сульфгидрильной группой, в результате чего образуется медь-глутатионовый комплекс, легко окисляющийся при щелочной реакции в дисульфид глутатиона и ион меди. Кейль и Нельсон (Keil a. Nelson, 1931) отмечают роль меди в метаболизме углеводов. Кребс (Krebs, 1927) установил, что окисление глюкозы, галактозы, монозы и мальтозы ускоряется при наличии тяжелых металлов, особенно меди. Из приведенных данных, объясняющих в некоторой степени физиологическое значение меди для растительных организмов, можно сделать вывод о том, что медь действует и на окислительновосстановительные процессы.
Хьюннекенс (1961) делит ионы металлов по их физиолого-биохимическому действию на две группы. К первой группе он относит ионы, которые сами способны к оксидоредукции (медь, молибден, железо). Потенциалы этих ионов того же порядка, что и потенциалы различных коферментов, участвующих в окислительно-восстановительных процессах. Эти металлы во многих случаях могут быть переносчиками электронов, хотя в металлофлавопротеинах оказывают влияние на связывание ФАД с белком. Ко второй группе автором отнесены магний и марганец, которые, вероятно, содействуют связыванию субстрата или кофермента с белком. При физиологическом pH большинство субстратов и коферментов представляют собой анионы, и в тех случаях, когда в активном центре белка имеется недостаток соответствующих катионных групп, магний и марганец могут служить мостиком между анионными группами кофермента или субстрата и белком.
В.З. Горкин (1964) указывает на тот факт, что из всех элементов периодической системы Д.И. Менделеева в живых организмах их обнаружено более 60. Многие из них являются металлами и находятся в комплексных соединениях, причем ион металла в последних занимает центральное место. Условиями комплексообразования считают наличие вакантных орбит в электронной оболочке, величину заряда и радиуса иона. Ионы или молекулы, образующие комплекс с ионом металла, называются аддендами или лигандами. В комплексе в большинстве случаев один ион металла связан с двумя, тремя, четырьмя и шестью лигандами. Состав комплекса определяется числом координационных мест для данного иона металла и характером лигандов. Лиганды, содержащие один атом, способный образовывать связь с ионом металла, занимают одно координационное место и называются унидентанитными; лиганды, занимающие два, три и более, координационных мест, — би-, три-и мультиденитантными. Би- и мультпденитантные комплексы очень устойчивы и называются клешневидными, или хелатами.
В живой клетке имеется исключительное разнообразие комплексных соединений, выполняющих важные специфические функции в обмене веществ. Из всех известных свыше 800 ферментов 180 относится к металлоферментам. К группе последних 80% комплексов относится к металлоферментам, а 20% — к истинным металлоэнзимам. Металлы, связанные с апоферментами в комплексы, легко отделяются от белка при обычном диализе. В ферментах металлы не всегда действуют на функциональные группы ферментного белка, отдаленные от активного центра, например на сульфгидрильные группы. В истинных металлоэнзимах металл прочно связан в стехиометрических соотношениях с апоферментами или простетическими группами и при диализе не отделяется от специфического белка. При очистке ферментов этой группы (удаление сопутствующих металлопротеинов) удельная активность препаратов возрастает прямо пропорционально повышению содержания металла на единицу белка. При этом достигается постоянная величина отношения металл/белок. Содержание атомов металла на 1 М апофермента составляет от 1—2 до 4—6 в церулоплазмине и до 8 — в медь содержащем протеине. Металлоферменты, макромолекулы которых содержат сотни атомов металла (гемоцианины, ферритин, металлотионеин), не обладают ферментной активностью.
Особое место в обмене веществ отводится меди благодаря ее способности входить в состав ферментов, являющихся медьсодержащими протеинами. К ним относят аскорбиноксидазу, содержащую 0,28% меди, имеющую молекулярный вес 145 000; уреазу — 0,059% меди, молекулярный вес 120 000; о-дифенилоксидазу — 0,2—0,3% меди, молекулярный вес 100 000; лакказу (n - дифенилоксидазу) — 0,31% меди и церулоплазмин — 0,33% меди, молекулярный вес 150 000.
Характер связи металла с белком в группе медьсодержащих протеинов еще мало выяснен. Есть предположение, что она осуществляется через сульфгидрильные группы. Значение меди здесь главным образом состоит в том, что при ее участии ускоряются реакции окисления кислородом. Большая группа металлоферментов является катализаторами процессов переноса электронов от субстратов к кислороду при дыхании в живых клетках. В настоящее время известно большое количество цитохромов, обнаруженных в клетках разных организмов и участвующих в переносе электронов с изменением валентности входящего в их состав железа.
