Значение меди в жизнедеятельности растений (часть 4)
Ферменты, содержащие медь, переносят электроны от производных фенола к молекулярному кислороду. Они реагируют как настоящие оксидазы. Почернение в воздухе свежих срезов яблок, картофеля и других овощей вызывается действием этих ферментов. Ферментом, катализирующим эту реакцию, является тирозиназа. или полифенолоксидаза. Медьсодержащие ферменты вызывают также окисление аскорбиновой кислоты в воздухе. Атом меди в медьсодержащих оксидазах не находится в форме меднопорфиринового комплекса, а рыхло связан с ферментом и отщепляется при диализе цианидами. Полифенолоксидаза может быть экстрагирована из растений водой, в ее составе содержится 0,2% меди. При окислении полифенолов (пирокатехина) происходит циклическое окисление — восстановление атома меди. Одновалентная медь переходит в двухвалентную, и наоборот. В результате действия полифенолоксидазы образуются хиноны.
Аскорбиноксидаза катализирует превращение аскорбиновой кислоты в дегидроаскорбиновую, широко распространена в растениях и является медьсодержащим ферментом. Специфически активную аскорбиноксидазу можно получить из капусты, огурцов, тыквы и других овощных растений. Действие ее отличается высокой специфичностью. Этот фермент катализирует окисление l-аскорбиновой кислоты и в очень небольшой степени родственных аскорбиновой кислоте соединений. Лакказа катализирует окисление гидрохинона и его производных, в состав ее входит около 0,24% меди. Свое название этот фермент получил вследствие того, что катализирует окисление ортодифенола лаккола, найденного в большом количестве в соке лаковых деревьев.
Последовательность участия цитохромов зависит от окислительно-восстановительных потенциалов, возрастающих в направлении b → c → а. По данным, полученным методом дифференциальной спектроскопии, перенос электронов начинается с окисления цитохромов группы а и проходит со скоростью менее 0,5 сек. Затем окисляются цитохромы группы с, флавопротеина и т. д. Особенно важна при этом роль цитохромоксидазы, относимой к группе цитохрома а и являющейся часто конечным звеном переноса электронов к кислороду; в ее составе также найдена медь.
Металлофлавопротеины являются ферментами, содержащими металл и флавин в тесной связи с белками в определенной пропорции. Открытие в этих ферментах металлов осуществлено в 1953—1955 гг. почти одновременно в нескольких лабораториях. Ранее считали, что флавопротеины не содержат металлов большей частью на основании косвенных данных, например в связи с неподавлением их активности некоторыми ферментными ядами; прямое определение показало наличие в них одного иди двух металлов. К металлофлавопротеинам, содержащим медь, следует отнести бутирилкоэнзим А, дегидрогеназу, а также гипонитритредуктазу и нитритредуктазу. Гипонитри-гредуктаза и нитритредуктаза содержат два металла — железо и медь. Aпoфермент бутирилкоэнзима А, дегидрогеназы реактивируется только медью.
Все более широкое применение при изучении как очищенных металлоэнзимов, так и сложных ферментных систем получает исследование спектров ЭПР (электронно-парамагнитного резонанса) с целью обнаружения неспаренных электронов (парамагнитные свойства ионов металлов). Этот метод позволяет обнаружить обратимые изменения валентности металлов при ферментативных реакциях (например, переход атомов меди, имеющих один неспаренный электрон в одновалентную медь в лакказе грибов). Особенности сверхтонкой структуры электронноспиновых резонансов спектров лакказы, церулоплазмина, эритрокупреина свидетельствуют о наличии связей между атомами меди и азота. В молекулах окислительно-восстановительных ферментов связь меди с белком отличается своеобразными особенностями, исчезающими при денатурации белка.
Метод ЭПР может быть использован для наблюдений за распадом лабильных металлсубстратных комплексов во времени. Однако интерпретация сигналов ЭПР, в частности учет скорости появления и угасания сигналов, представляет большие трудности. Необходима высокая концентрация субстратов, отсутствие электронов (без этого в значительной степени затрудняется оценка данных, полученных с использованием метода ЭПР). Задачей дальнейших исследований является изучение процессов, связанных со значением меди непосредственно в органоидах растений.
Совершенно особо ведут себя растения по отношению к меди на осушенных торфяных почвах. Алиссон, Бриан и др. (1927) изучили это явление. Оказалось, что все испытывавшиеся (свыше 60) растения положительно реагировали на внесение медных удобрений в условиях торфяных почв. З.М. Климовицкая (1946) в условиях вегетационных опытов изучала влияние медных удобрений на рост и развитие растений на осушенных гипновоосоковых торфяных почвах УССР. Установлено проявление резкой степени особой болезни растений (болезни обработки). Симптомы ее заключаются в том, что развивающиеся вполне нормально в начале вегетации растения в период кущения быстро засыхают. Засыхание начинается с конца листовых пластинок и распространяется на всю листовую пластинку, а затем на все растение. Растения в этот период усиленно кустятся, но вновь образовавшиеся узлы кущения засыхают. К концу вегетации у злаковых растений зерно совершенно не образуется. Наиболее сильно подвержены этой болезни ячмень и пшеница. Больные растения содержат в два-три раза больше азота, фосфора, калия, так как в таких условиях эти элементы не утилизируются в процессах синтеза. Технические культуры — сахарная свекла, конопля, кок-сагыз — не подвержены заболеванию, однако развиваются медленнее. Развитие растений проходит нормально, если в вегетационные сосуды вносится незначительное количество солей меди — 50—100 мг на сосуд. При удобрении солями меди в три-четыре раза увеличивается вес корней кок-сагыза и до 1% сахаристость сахарной свеклы.
В последнее время советские исследователи внесли много нового в изучение физиологической роли меди. По данным М.М. Окунцова (1956), медь способствует синтезу белков, углеводов, пентозанов и жира. В его опытах под влиянием меди уменьшилась гидролитическая активность протеазы на 52,0%, в связи с чем в растениях снизилось содержание аминокислот на 52% и увеличилось количество белка на 44%. Автор считает, что медь участвует в синтезе многочисленных веществ, в том числе белков, углеводов, пентозанов и жира.
Широкие исследования по изучению физиологической роли меди в растениях проводила Л.К. Островская с сотрудниками. В опытах Л.К. Островской, Г.М. Яковенко (1956) показана зависимость эффективности действия медных удобрений на различных торфах от подвижности меди и степени ее доступности для растений. На кислом торфе (pH 4,5—5,5) при наличии около 1 % извести эффективность медных удобрений для овса проявлялась при содержании меди ниже 3 мг/кг почвы. На щелочном торфе с известью медные удобрения оказались эффективными при содержании меди в торфе ниже 6—7 мг/кг.
При недостатке меди нижние листья и другие органы содержат ее больше, чем верхние; растения при этом не мобилизуют медь из нижних органов для построения верхних листьев. Изменение активности полифенолоксидазы, являющейся медьпротеидом, тесно связано с изменением содержания меди в листьях. Л.К. Островская обнаружила определенную взаимосвязь между действием гетероауксина и меди. Гетероауксин сильнее повышает энергию всхожести семян с относительно меньшим содержанием меди, чем тех, которые более богаты этим элементом.
