Формы и функции марганца в растениях
Принадлежит к побочной подгруппе седьмой группы периодической системы. Атомный номер 25, атомная масса 54,9380 ± 1. В силу своих физико-химических свойств марганец (Mn), как и железо, относится к переходным 34-элементам. Обладает переменной валентностью. В биологических системах находится главным образом в следующих стадиях окисления: Mn2+, Mn3+, Mn4+. Играет важную роль в окислительно-восстановительных реакциях. В растениях доминантной является форма Mn2+. Наиболее хорошо изучены только два Мn-содержащих фермента: Мn-белок в ФС 2 и супероксиддисмутаза (МnСОД).
Мn-белок. Важность марганца для осуществления фотосинтеза в зеленых растениях известна давно. В 1937 г. А. Пирсон установил, что рост зеленых водорослей
Chlorella приостанавливался, если а среде не было марганца. Впоследствии на примере зеленых водорослей (Ankisirodesmus) было установлено, что марганец вовлечен в процесс выделения кислорода. Аномально низкая скорость реакции Хилла при недостатке марганца обнаружена также у высших растений. Установлено, что ионы марганца необходимы для выделения кислорода ФС 2, но не играют существенной роли в индуцированном светом транспорте электронов в ФС 1. Физическими методами показано, что марганец играет ключевую роль в катализе расщепления воды, что ведет к выделению протонов и электронов и образованию связей O-O молекулярного кислорода:
2Н2O → 4Н* + O2.
Функционирование атомов марганца в этой реакции связано с прохождением Мn-кластера через пять стадий окисления (Sn), где n = 0-4. Кофактором этой реакции являются ионы кальция. Подробная информация о различных структурных моделях Мn-Сa-кластеров в ФС 2 представлена в ряде обзоров. Функциональную стабильность Мn-кластера в ФС 2 поддерживает Мn-стабилизирующий белок молекулярной массой 33 кД.
Супероксиддисмутаза. Участвует в устранении токсичного действия супероксид-ного радикала. В отличиеот других изоформ (FeCOД, CuZnCOД) супероксиддисмутаза, содержащая марганец, не так широко представлена в высших растениях. Внутри клеток локализуется главным образом в митохондриях, а также в пероксисомах. Как и все изоформы СОД, МnСОД катализирует дисмутацию радикала суперокисида:
Mn2+ + O2- → Mn2+ + OJ,
Mn2+ + O2- + 2Н+ → Mn3+ + H2O2.
Последующая трансформация H2O2 в H2O и O2 происходит, как упоминалось, с участием пероксидаз и каталаз.
В трансгенных растениях табака с повышенным уровнем МnСОД деградация хлорофилла на свету и утечка растворов из хлоропластом происходили в меньшей степени, чем у контрольных растений, характеризовавшихся низким уровнем активности этого фермента.
У растений число истинных Mn-содержащих ферментов ограничено, однако марганец играет важную роль в каталитических реакциях в качестве активатора. Известно более 35 ферментов, активируемых марганцем. Большей частью они катализируют реакции окисления—восстановления, декарбоксилирования, гидролиза. Существенно значение марганца как активатора отдельных реакций в цикле три карбоновых кислот и а процессе фотосинтеза:
В опытах in vitro установлено, что во многих случаях Mn2+ по своему активирующему действию на ферменты может быть замещен HaMg2+. В связи с более высоким содержанием в клетке Mg2+ по сравнению с Mn2+ становится очевидным, что активирующее действие марганца важнее для ферментов с наибольшей специфичностью к этому металлу, например для ФЕП-карбоксикиназы, катализирующей следующую реакцию:
Оксалоацетат + АТФ ↔ Фосфоенолпируват + CO2 + АДФ.
Марганец активирует множество ферментов, катализирующих превращения шикимовой кислоты, и соответственно пути, связанные с биосинтезом ароматических аминокислот (тирозина) и многочисленных вторичных продуктов: лигнина, флавоноидов, индолилуксусной кислоты. Деградация аллантоина и аллантоиновой кислоты в листьях катализируется алантоинаминодегидролазой, имеющей абсолютную зависимость от присутствия в среде Mn2+. Аргиназа — другой Mn-зависимый фермент азотного метаболизма. Кроме того, марганец может активировать РНК-полимеразу, хотя в целом синтез белка специфически не нарушается в условиях недостатка этого микроэлемента в тканях.
При дефиците марганца повышается содержание нитратов в растениях. Однако пока не получено прямых доказательств непосредственного участия Mn2- в регуляции активности нитратредуктазы. Нарушения в восстановлении нитратов, наблюдаемые в условиях Мn-стресса, могут быть следствием дефицита восстановленных эквивалентов в хлоропластах и углеводов в цитоплазме растительных клеток. Кроме того, марганец стимулирует передвижение ассимилятов в растении, однако это неспецифичный эффект, аналогичный результатам действия других микроэлементов (Zn, Cu, Mo, В).
Марганец связан с обменом белка, в частности, через регулирование активности ДНК- и РНК-полимераз, а также с ауксиновым обменом. Из многих металлов только Mn2+ стимулирует растяжение клеток колеоптилей овса, индуцированное ИУК. Возможно, Mn2+ связан с синтезом специфических белков, необходимых для длительного роста отрезков колеоптилей.
Ингибирование роста корней растений в условиях недостатка марганца может быть обусловлено как снижением поступления в корни углеводов, так и необходимостью этого микроэлемента для процессов роста. Причем увеличение объемов клеток нарушается в большей степени, чем их деление.
Содержание. В траках содержание марганца колеблется от 17 до 334 мг/кг. Марганец обычно концентрируют растения, богатые танидами. Довольно много марганца содержат также алкалоидоносы. Содержание марганца повышено в корнеплодах свеклы, понижено вo фруктах. Манганофилы могут накапливать марганец до 2000 мг/кг сухой массы. Довольно много манганофилов встречается среди гидрофитов и гигрофитов.
В корнях концентрация марганца существенно выше, чем в побегах. В надземных органах трав содержание марганца в листьях выше, чем в стеблях. У древесных форм и кустарников марганец распределен по надземным органам следующим образом: листья (хвоя) > кора > древесина.
У гороха и кукурузы до 40% марганца от его общего содержания в клетке приурочено к фракции клеточных стенок. В растворимой фракции клеток содержится около 30% от общего содержания марганца, во фракции, обогащенной органеллами, около 20, в мембранной фракции 6%. Эта закономерность зерна для корней и побегов растений изученных видов. Из клеточных органелл больше всего марганца содержится в хлоропластах. Самый большой пул свободного марганца в растительной клетке связан с вакуолью. В процессе поглощения растением марганца уровень содержания его свободных форм в цитозоле относительно низок. Вероятно, в растительной клетке существуют системы активного контроля над концентрацией свободного марганца в цитозоле.
После поглощения марганец интенсивно транспортируется в побеги растений. В корнях люпина белого через 28 суток оставалось только 6,5% 54Mn от привнесенного количества этого микроэлемента. В центральном цилиндре зафиксировано около 60% поглощенного 54Mn, остальные 40% — в коре главного корня люпина белого.
