Формы и функции меди в растениях
Считается, что первыми обосновали необходимость меди для высших растений а 1931 г. С. Липман, Ж. Мак-Кинней. По своим биохимическим свойствам и функциям медь сходна с железом, способна образовывать стабильные комплексы и изменять валентность (Сu2+ ↔ Cu+). Одновалентная медь, в отличие от меди двухвалентной, нестабильна. В растениях до 98-99% меди содержится » виде комплексных форм, концентрация свободных ионов Cu2+ и Cu+ предельно низкая. Более 50% меди, локализованной в хлоропластах, связано с пластоцианином. Медь характеризуется большим сродством к аминокислотам, чем к органическим кислотам, и средней мобильностью во флоэме.
Большинство функций меди как микроэлемента связано с ее участием в ферментативных окислительно-восстановительных реакциях. Выделено несколько групп белков:
1) белки голубого цвета, не обладающие оксидазной активностью (пластоцианин), участвующие в передаче одного электрона;
2) белки (пероксидазы), участвующие в окислении монофенолов до дифенолов;
3) белки, содержащие по меньшей мере четыре aтома меди на молекулу, действующие как оксидазы (аскорбатоксидаза, дифенолоксидаза).
Дальше приведены важнейшие Сu-ферменты.
Пластоцианин. Более 50% меди, локализованной в хлоропластах, связано с пластоцианином. Этот голубой белок содержит по одному атому меди на каждую молекулу. Медь координирована двумя молекулами гистидина, одной молекулой цистеина и одной молекулой метионина в тетраэдрической конфигурации. Как правило, ка 1000 молекул хлорофилла приходится три-четыре молекулы пластоцианина. Осуществляет функции цитохром f-ФС 1-оксидоредуктазы; в связи с этим в условиях Cu-дефицита активность ФС 1 снижается значительно больше, чем активность ФС 2.
Пластоцианин невелик по массе (около 10,5 кД); как переносчик он должен легко диффундировать внутри тилакоида. В отличие от высших растений у эукариотических водорослей, а также у многих цианобактерий сходные с пластоцианином функции может выполнять в условиях недостаточной обеспеченности организмов медью цитохром с4. В 2002 г. похожий на цитохром с6, белок был обнаружен и в растениях. На основании филогенетического анализа показано, что цитохром (цитохром с4) высших растений отдаленно напоминает цитохром с6, выделенный из цианобактерий и зеленых водорослей. Цитохром c6 высших растений характеризуется другой последовательностью аминокислот, что благоприятно для выполнения новых функций, не связанных с передачей электронов к ФС 1.
Цитохромоксидаза. Представляет собой оксидазу митохондриальной ЭТЦ, содержит два атома меди и два атома железа в гемовой конфигурации. Атомы меди (CuA) принимают участие в транспорте электрона от цитохрома с к тему a3, а затем к биядерному центру, состоящему из гема а, и атома меди (Cu5), где происходит связывание и восстановление кислорода. Выяснена структура цитохромоксидазы. выделенной из бактерий
Paracoccus denitrificans. В условиях недостатка меди активность фермента снижается.
Полифенолоксидаза. Катализирует перенос электронов от ряда фенолов (гидрохинон, пирокатехин, пирогаллол) на молекулярный кислород:
Фермент включен в биосинтез лигнина, алкалоидов, меланинов, иногда формирующихся при ранении растительных тканей (яблоки, клубни картофеля). Эти вещества способны ингибировать прорастание спор и рост грибов. В условиях недостатка меди активность фермента коррелирует с аккумуляцией в растениях фенолов и меланиновых веществ. При нормальном снабжении медью споры Aspergillus niger черного цвета, при незначительном дефиците — светло-коричневого, а при полном дефиците — белого. Снижение полифенолоксидазной активности, обусловленное недостатком меди, отмечается как одна из причин нарушений в цветении растений.
Супероксиддисмутаза. Изофермент СОД (CuZnCOД) молекулярной массой около 32 кД, содержит по одному атому меди и цинка, соединенных общим азотом гистидина. Играет важную роль в детоксикации сулероксидного радикала O2-.
Аскорбатоксидаза. Катализирует окисление аскорбиновой кислоты до дегидроаскорбиновой:
Содержит по четыре атома меди на молекулу, обеспечивающих восстановление кислорода до воды. Локализована в клеточных стенках и цитоплазме. Может работать как терминальная дыхательная оксида за или в комбинации с полифенолоксидазой, используя молекулярный кислороде качестве акцептора электронов. При недостатке меди активность фермента снижается и потому используется как показатель обеспеченности растений медью.
Аскорбиновая кислота — важный компонент антиоксидантной системы, ответственной за трансформацию Н2О2. Кроме того, аскорбиновая кислота — кофактор нескольких ферментов, вовлеченных в синтез фитогормонов: этилена, гиббереллинов и, возможно, абсцизовой кислоты. Отмечено стимулирование аскорбиновой кислотой деления покоящихся клеток. В покоящемся центре меристем корня практически нет аскорбиновой кислоты. Предполагают, что низкая скорость деления этих клеток поддерживается благодаря окислению аскорбиновой кислоты аскорбатоксидазой. Обработка корней аскорбиновой кислотой в течение 48 ч вызывает митотическую активацию клеток покоящегося центра. Активность аскорбатоксидазы контролируется ауксином, что обеспечивает связь между метаболизмом аскорбиновой кислоты и формированием корней.
Аминоксидам. Содержащая медь аминоксидаза относится к большому классу оксидаз, катализирующих окислительное дезаминирование аминов:
RCH2NH2 + H2O + О2 → RCHO + NH3 + H2O2.
Эти ферменты обнаружены у различных организмов: бактерий, растений, млекопитающих. В растениях Cu-изоформа аминокидазы принимает участие в защитных реакциях растений и в многочисленных процессах развития, включая лигнификацию и отложение суберина в ходе формирования пробковой ткани. Выделенный из различных организмов белок фермента состоит из двух субъединиц, содержащих по одному атому меди. В молекуле фермента медь координирована тремя остатками гистидина и двумя молекулами воды (в аксиальном и экваториальном по отношению к атому меди положении). Кроме участия в образовании комплексов медь, вероятно, задействована в активации молекулярного кислорода.
Фермент локализован главным образом в апопласте эпидермиса и ксилемы зрелых растительных тканей. Функционирование фермента сопровождается высвобождением Н2О2 — субстрата для пероксидазы в процессах лигнификации и суберинизации. В условиях дефицита меди активность энзима понижена.
Лигнификация. Заметно влияние меди на формирование и химический состав клеточных стенок. По крайней мере два фермента, содержащих медь, — полифенолоксидаза и диаминоксидаза — участвуют в синтезе лигнина. В условиях недостатка меди происходит уменьшение отношения массы материала клеточных стенок к общей сухой массе растений, а также содержания лигнина. Причем, нарушения в лигнификации обнаруживаются даже при незначительном недостатке меди.
