Анализ событий, совершающихся в клетках с момента начала действия того или иного стрессора, заставляет считать, что имеется небольшое число наиболее лабильных (чувствительных) компонентов клеточных структур и звеньев метаболизма, которые выполняют роль пускового механизма, вызывающего последующие глобальные нарушения, проявляющиеся в виде неспецифических изменений в обмене веществ.

По всей вероятности, функцию спускового крючка, на которых "нажимают" разнообразные стрессоры и который приводит в действие сложный механизм ответа, в большинстве случаев выполняют мембранные системы.

Мембраны - это "ахиллесова пята" клеток, в первую очередь повреждающаяся под влиянием экстремальных факторов. Совершенно очевидно, что во многих случаях, например, при изменении температуры, роль сенсорного компонента мембран играют липиды, от состава и соотношения которых зависит степень вязкости мембран, определяющая структуру и функции мембранных белков.

Изменение состояния мембран приводит к включению процесса деградации липидов, от которого зависит реализация программы формирования стресса растительных клеток[4, стр.197].

3. БИОГЕННЫЙ СТРЕСС И КАТАБОЛИЗМ

В предыдущем разделе уже затрагивался вопрос о влиянии патогенов на образование углеводных элиситоров и белковый обмен. В последние годы появляется все больше информации о метаболическом взаимодействии патогенных организмов - бактерий и грибов - и тканей различных органов растения-хозяина. Первый этап этого взаимодействия - конформационное узнавание поверхностей органов и клеток патогена и хозяина. Второй - экскреция клетками патогенных бактерий и грибов ферментов, гидролизующих биополимеры и липиды покровных тканей растения-хозяина, разрыхляющих их и обеспечивающих более интенсивное проникновение патогена в ткани хозяина и обильное питание, необходимое для развития патогена. Третий - образование в ходе деградации биополимеров и липидов различных физиологически активных промежуточных продуктов - элиситоров, выполняющих роль сигнальных веществ - стимуляторов ответной реакции клеток хозяина. Элиситоры непосредственно или с помощью посредников влияют на генетический аппарат клеток хозяина, вызывая (четвертый этап) синтез веществ, способствующих или повышению устойчивости к патогену, или вызывающих сверхчувствительность и гибель клеток, но тем самым создающих механический барьер, препятствующий распространению инфекции по тканям растения (рис. 2). Промежуточные продукты катаболизма клеток хозяина могут выступать и в роли эффекторов метаболизма и развития патогена [5, стр.44].

Рис. 2. Схема взаимодействия клетки патогена с растением- хозяином

1 — кутиназа; 2 — продукты деградации компонентов кутикулы (возможно, обладающие сигнальными свойствами); 3 — β-глюканаза и другие гликозилазы, экскретируемые патогеном; 4 — элиситоры — фрагменты клеточной стенки (КС) хозяина; 5 — хитиназы и другие гликозилазы, действующие разрушающе на КС патогена; 6 — элиситоры — фрагменты КС патогена; 7 — фитоалексины — ингибиторы протеиназ, кутиназ, гликозилиз и других ферментов патогена; 8 — токсические вещества патогена; 9 — укрепление КС хозяина за счет активации пероксидаз и усиления синтеза лигнина. Отложение оксипролиновых белков, лектинов; 10 — вещества — индукторы сверхчувствительности и некроза соседних клеток; 11 — продукты деградации кутина, действующие на клетку патогена

Наружным покровом растений является кутикула, состоящая главным образом из гетерополимера кутина, погруженного в воск. Обнаружено более 20 мономеров, из которых состоит кутин: различной длины насыщенные и ненасыщенные жирные кислоты и спирты, в том числе гидроксилированные и эпоксидированные, дикарбоксиловые кислоты и т.д. В кутине большинство первичных спиртовых групп участвует в образовании эфирных связей, так же как часть вторичных спиртовых групп, обеспечивающих сшивки между цепями и точки ветвления в полимере. Другой "барьерный" полимер - суберин, состоит, по-видимому, из фенольных и алифатических доменов, первые из которых близки по своему составу к лигнину, а вторые - к кутину. Отличия алифатического домена в том, что свободные жирные кислоты являются главным компонентом субериновых восков, в то время как в кутине их очень мало. Кроме того, в суберине присутствуют главным образом С22и С24 жирные спирты, в то время как в кутине – С26 и С 28 [5, стр.44].

Оказалось, что многие патогенные грибы могут выделять ферменты, гидролизующие кутин и суберин. При гидролизе лигниноподобной фракции суберина образовывались кумаровая и феруловая кислоты, причем большая часть фракции оставалась негидролизованной. Продуктами кутиназной реакции были различные оксигенированные жирные кислоты и спирты [5, стр.45].

По всей вероятности, в спорах грибов кутиназа содержится в очень небольших количествах, и при контакте с кутикулой растений гидролизу подвергается лишь малая часть кутина. Однако образующиеся активные сигнальные молекулы - 10,16-дигидрокси-С16- и 9,10,18-тригидрокси-С18-кислоты - транспортируются в прорастающую спору и индуцируют образование больших количеств дополнительной кутиназы, начинающей интенсивное разложение кутина и облегчающей инфицирование растения. Было обнаружено, что лаг-период появления кутиназной м-РНК после начала действия  ди- и триоксикислот составляет всего 15 мин, а появления кутиназы - в два раза больший [5, стр.45]. Ингибирование кутиназы с помощью химических препаратов или антител предотвращало инфекцию.

Одной из важных задач исследователей молекулярных взаимодействий между патогеном и тканями растения-хозяина были поиски сигнальных веществ, индуцирующих защитную реакцию инфицированных клеток и системную - в удаленных от места инфекции местах.

Вполне вероятно, что продукты деградации кутина (оксигенированные жирные кислоты и спирты) могут выступать в роли не только индукторов образования кутиназы у патогена, но и элиситоров синтеза защитных веществ в клетках растения-хозяина (см. рис.2).

К числу высокоэффективных элиситоров защитного ответа инфицированных растений относятся олигомерные продукты деградации полисахаридов клеточных стенок хозяина или патогена[5, стр.45].

Гидролитические ферменты (в том числе гликопротеины) патогенных грибов активируют защитную реакцию хозяина, освобождая биологически активные углеводы из клеточных стенок хозяина или патогена.

Было найдено, что суспензионные клетки табака вырабатывали фитоалексины (капсидиол и др.) в ответ на обработку целлюлазой, что свидетельствует об элиситорных свойствах линейных β-1,4-глюкановых фрагментов целлюлозы. В этой связи представляют интерес данные об активирующем действии дисахарида целлобиозы на синтез целлюлозы из 14С-глюкозы или из меченой УДФГ в клетках волосков семян хлопчатника. Так как в клетках не содержится эндогенной целлобиозы, то, по-видимому, экзогенная целлобиоза служит миметиком олигосахаридов более высокой степени полимеризации[9, стр.562].

В формировании ответной реакции растений на патогены принимают участие также полиеновые жирные кислоты.

Оказалось, что элиситорным эффектом обладает не белковая часть липопротеинов, а их липидная часть, представляющая собой не свойственные для высших растений арахидоновую (эйкозатетраеновую) и эйкозопентаеновую кислоты. Они вызывали образование фитоалексинов, некротизацию тканей и системную устойчивость растений к различным патогенам. Продукты липоксигеназного превращения в тканях растений упомянутых выше С20 жирных кислот (гидроперокси-, гидрокси-, оксо-, циклические производные, лейкотриены), образующиеся с помощью имеющегося в клетках хозяина ферментного липоксигеназного комплекса (субстратами которого могут быть как C18, так и С20 полиеновые жирные кислоты), оказывали сильнейшее влияние на защитную реакцию растений. Это объясняется, по-видимому, тем, что в неинфицированных растениях нет оксигенированных производных 20-углеродных жирных кислот, и их появление в результате инфицирования приводит к драматическим результатам, например к гибели клеток и образованию некрозов, что создает барьер для распространения инфекции. Имеются данные, что индуцирование патогеном липоксигеназной активности приводило к формированию ответной реакции растения и в том случае, когда элиситор не содержал С20 жирных кислот и субстратом липоксигеназной активности могли быть только собственные полиеновые жирные кислоты, а продуктами - октадеканоиды, а не эйкозаноиды. В связи с этим представляют большой интерес сведения о том, что жасмонат может индуцировать синтез ингибиторов протеиназ[10, стр.562]. Знаменательно, что глюкан и Са2+ усиливали влияние арахидоната и эйкозапентаеноата. Так как ЭГТА (специфический лиганд Са2+) ингибировал синтез фито-алексинов, то можно сделать предположение, что ионы кальция играют важную роль в регуляции осуществления защитной функции растений[5, стр.44].

Не исключено, что сигнальными веществами являются и продукты деградации белков клеточных стенок, богатых оксипролиновыми остатками и содержащих олигогликозильные ответвления.

Под влиянием воздействия многообразных элиситоров в инфицированных растениях начинают вырабатываться защитные вещества, повышающие устойчивость клеток к инфекции. К ним относятся в первую очередь фитоалексины - растительные антибиотики, представляющие собой соединения фенилпропаноидного и терпеноидного характера. Например, у картофеля под влиянием Phytophtora infestans образуются ришитин и любимин[2, стр.123].

Элиситоры индуцируют образование большого количества белков, как правило, не характерных для неинфицированных тканей.

1. Патогениндуцированные белки, представляющие собой группу щелочных и кислых белков с относительно небольшой молекулярной массой (10-20 кДа), функции которых в большинстве случаев не выяснены.

2. Хитиназы и β -глюканазы, накапливающиеся в вакуоле и клеточных стенках. Интересно, что b -глюканаза "созревает" в две стадии. Первая заключается в удалении с N-конца олигопептида (насчитывающего 21 остаток аминокислот) и в N-гликозилировании С-конца белка, вторая - в отщеплении от образовавшегося промежуточного белка олигопептида с 22 аминокислотными остатками, включая углеводную ветвь, присоединившуюся на предыдущей стадии.

3. Ингибиторы протеиназ, вырабатываемые как в результате механического повреждения тканей (например, листогрызущими насекомыми), так и в результате инфицирования патогенами. Их синтез вызван фрагментами пектиновых веществ клеточных стенок. Интересно, что индукция ингибиторов протеиназ сопровождалась фосфорилированием белков плазмалеммы клеток хозяина.

4. Серусодержащие белки - тионины, высокотоксичные для грибов. Как уже отмечалось выше, наблюдается также значительное усиление

образования оксипролиновых белков (в том числе ферментов, например пероксидазы, от активности которой зависит синтез лигнина), входящих в состав клеточных стенок.

Интенсивное новообразование различных белков является отражением перестройки метаболизма инфицированных растений, приводящей к нарастанию устойчивости к патогену[9, стр.557].

Хитиназы из зерна пшеницы, ячменя и других растений обладали свойствами эндохитиназ, в то время как бактериальные ферменты проявляли экзохитиназную активность.

Хитин (поли-М-ацетилглюкозамин) является компонентом клеточных стенок грибов и членистоногих. В них содержатся и хитиназы, которые наряду с хитин-синтетазными комплексами определяют особенности структуры хитинсодержащих клеточных стенок. Однако хитиназа обнаруживается и у организмов, не содержащих хитина: у почвенных бактерий (экзохитиназа, отщепляющая по очереди концевые N-ацетилглюкозные остатки) как инструмент добывания пищи и у растений (эндохитиназа) как инструмент защиты от грибной инфекции и от некоторых насекомых. Интересно, что хитиназа растений как индивидуальный белок обладает также свойствами лизоцима. Основными продуктами деградации хитина были хитобиоза, хитотриоза и хитотетраоза.

"Антигрибные" хитиназы, по-видимому, широко распространены в царстве растений, в стеблях и листьях индуцируясь этиленом или атакой патогенов, а в семенах запасаясь как средство повышения устойчивости к грибам почвы. Хитиназы растений действуют прямо на растущие кончики гифов гриба, вероятно, вместе с другими гидролазами подавляя рост гифов и ограничивая инфицирование растений[8, стр.297].

Специальные исследования показали, что при взаимодействии бактерий и тканей хозяина различные ферменты деградации появляются не одновременно. Например, пектилметилэстераза присутствовала и в неинокулированных бактерией Erwinia carotovora subsp atroseptia тканях клубней картофеля [8, стр.298], тогда как полигалактуроназная, пектатлиазная, целлюлазная, протеазная и ксиланазная активности появлялись соответственно через 10,14,16,19 и 22 ч после инокуляции.

Накопление патогениндуцированных белков и устойчивость к инфекции проявляются и в соседней неинфицированной ткани. Из этого следует, что защитные белки индуцируются подвижными веществами, которые образуются в местах инфекции и затем передвигаются в непораженные ткани листьев, вызывая в них эффект защиты.

Активный в качестве индуктора компонент не инактивируется протеазами, его положительный заряд и тепловая стабильность могут свидетельствовать, что он представляет собой маленький пептид или аминокислоту. Малые гликопептиды, присутствующие в инфицированных вирусом табачной мозаики листьях табака, могут отвечать за индукцию системной устойчивости растений [8, стр.298].

Уже отмечалось, что под влиянием инфекции наблюдаются лигнификация, суберинизация клеточных стенок, накопление в них гидроксипролиновых белков, каллозы, что создает дополнительный барьер для патогенов. Происходит также накопление оксигенированных производных ненасыщенных жирных кислот, летучих ароматических гексаналей, таннинов, О-хинонов [8, стр.287]. Так как избыточное образование всех этих соединений связано с активацией имеющихся в клетках или с синтезом новых ферментов, то не были неожиданными факты индукции экспрессии патогеном большого количества генов[8, стр.288].

По всей вероятности, круг защитных веществ может быть со временем значительно расширен.

Реакция растений на действие вирусов, так же как на патогенные грибы и бактерии, может варьировать между иммунностью и восприимчивостью [6, стр.328]. Большинство растений устойчиво к вирусной инфекции благодаря природной селекции в ходе эволюции. Интересно, что свойство устойчивости распространяется из инфицированных в непораженные клетки и ткани. Вирусреплицирующая способность растений может быть усилена некоторыми фитогормонами (кинетином, ИУК), полианионами (дрожжевой РНК, поли-И, поли-Ц, сополимером этиленмалеинового альдегида, полиакриловой кислотой). Устойчивость развивалась градуально и была чувствительна к актиномицину Д.

Изучению молекулярных основ взаимодействия патогенов и растения-хозяина, в том числе роли продуктов частичной деградации биополимеров и липидов в выработке устойчивости, в настоящее время уделяется все большее внимание. В дополнение к журналу, посвященному этому направлению исследований - "Rhysiological and Molecular Plant Pathology", недавно начал издаваться специальный журнал "Molecular Plant - Microbe Interactions". Можно надеяться, что это приведет к подъему уровня работ не только в области молекулярной фитопатологии, но и в теории стресса в целом[8, стр.297].

4. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Уже давно внимание биологов и медиков привлекало интереснейшее явление: в результате действия экстремальных условий, изоляции или отмирания растительных или животных тканей образуются вещества, способные действовать на здоровые клетки и ткани, их рост и развитие, устойчивость и т.д. К ним можно отнести и "раневые гормоны" и "некрогормоны", существование которых было постулировано в начале нашего века Г. Габерляндтом [2, стр.122]. Не вызывает сомнений, что среди этих веществ имеются продукты распада сложных соединений. Некоторые из них способны выделяться в окружающую среду и оказывать действие на другие организмы в экосистемах[4, стр.197].

Рассмотрение особенностей катаболизма биополимеров и липидов в растениях в условиях стресса оказалось сложной задачей, причем не столько из-за избытка, сколько из-за недостаточности сведений, касающихся многих промежуточных этапов деградации этих соединений. Значительная часть литературы посвящена ферментам, катализирующим главным образом, стартовые реакции процессов катаболизма. Хорошо изучены и реакции дальнейшего превращения образующихся при деградации мономерных продуктов. В то же время весьма немногочисленны результаты исследований промежуточных (например, олигомерных) продуктов, их структуры, характера дальнейших превращений, биологической активности и механизма их действия на обмен веществ клеток, что объясняется как методическими трудностями, так и недостаточным вниманием физиологов и биохимиков растений к этой важной области метаболизма.

Можно считать доказанным, что интермедиаты катаболизма биополимеров и липидов играют большую роль в работе сложного регуляторного механизма клетки и в коррекции метаболизма в соответствии с изменившимися условиями, в частности в формировании ответной реакции клеток растений на действие различных стрессоров[4, стр.198].

Необходимо иметь в виду, что сведения о роли продуктов катаболизма в регуляции обмена веществ получены на основании изучения действия экзогенных соединений. Однако нельзя считать, что реакция клеток на эти соединения будет тождественна реакции на их появление или повышение содержания в том или ином компартменте внутри клеток. Более того, представляется вероятным, что клетка реагирует на многие экзогенные биополимеры и липиды и продукты их деградации как на "обломки кораблекрушения", как на сигналы тревоги, идущие от разрушенных или находящихся в состоянии сильного стресса соседних клеток. Эти органические соединения, взаимодействуя с поверхностью клеточной мембраны, вызывают ее включение в цепь усиления сигнала тревоги, состоящую из различных вторичных посредников (в том числе упоминавшихся в предыдущих разделах). По всей вероятности, на внешней стороне плазмаллемы имеются разнообразные рецепторы, с которыми способны связываться вышеупомянутые "обломки кораблекрушения". Можно предполагать, что это реликтовые формы конструкций, с помощью которых осуществлялось получение информации об изменениях гуморальной обстановки вокруг клетки. Некоторые из этих рецепторных конструкций совершенствовались в ходе эволюции многоклеточных высших растений и стали играть роль специализированных высокоэффективных рецепторов гормонов. За другими могла сохраниться изначальная функция взаимодействия с достаточно сложными органическими соединениями (индукторами защитных реакций, в особенности против патогенов), но само появление этих соединений в окружающей здоровую клетку среде приобрело значение неблагополучия, сигнала тревоги. Судя по имеющимся данным, клетка воспринимает различные экзогенные соединения как знак тревоги при значительно меньших концентрациях, по сравнению с теми же веществами эндогенного происхождения[4, стр.199].

Имеются основания считать, что растительные клетки обладают сходной системой коррекции метаболизма. Если принять это положение, то необходимо дополнить схему, приведенную на рис. 1 (отражающую роль промежуточных продуктов катаболизма как эндогенных регуляторов внутри тех клеток, где они образовались), фрагментом, объясняющим роль этих продуктов в качестве экзогенных эффекторов метаболизма для других клеток (рис. 4). Этот фрагмент включает взаимодействие с рецепторами клеточной мембраны и участие систем вторичных посредников в передаче сигналов в генетической аппарат.

В большинстве случаев имеется информация о действии на функции клеток лишь одного из промежуточных продуктов катаболизма, реже в сочетании с уже хорошо изученным "метаболическим репером", например ауксином. В то же время необходимо учитывать сложность влияния на обмен веществ клеток совокупности образующихся при катаболизме сигнальных молекул, изменения их набора или соотношения концентраций. Например, при изучении образования фитоалексинов растениями под влиянием патогенного гриба Phytophtora infestans. Оказалось, что элиситорная активность продуцируемых грибом арахидоновой и эйкозапентаеновой кислот значительно повышалась в присутствии водорастворимых b-1,3-глюканов, тоже появляющихся в результате взаимодействия патогена и хозяина. Это позволяет говорить о взаимной корректировке (в данном случае усилении) биологического действия продуктов катаболизма различных классов биополимеров и липидов[4, стр.199].

Рис. 4. Схема действия некоторых органических (сигнальных) веществ, освобождаемых поврежденной или находящейся в состоянии сильного стресса клеткой, на соседние клетки

В одном из своих выступлений академик А.Л. Курсанов сравнил проблему регуляции функций растений с горной вершиной, которую предстоит покорить и только у подножия которой находятся исследователи.

В настоящей работе предпринята попытка, используя данные, полученные из различной литературы, показать, что в покорении вершины регуляции имеется еще один перспективный путь - изучение промежуточных продуктов катаболизма биополимеров и липидов, их биологической активности и механизмов их действия на физиолого-биохимические процессы.

Разнообразие и высокая специфичность ферментов, отвечающих за реакции деградации биополимеров и липидов, обнаруживаемые в последнее время тонкие механизмы регуляции активности этих ферментов или ферментных систем, все большая информация о биологической активности образующихся соединений позволяют считать, что направленное исследование роли промежуточных продуктов катаболизма в регуляции анаболических процессов и связанных с ними функций растений Должно привести в ближайшие годы к новым интересным результатам.

Многие из этих физиологически активных продуктов найдут применение в сельском хозяйстве, медицине и биотехнологии как активаторы или ингибиторы в качестве самостоятельных препаратов или в комплексе с другими, уже применяющимися соединениями[4, стр.199].

Список литературы:

1. Войников В.К., Иванова Г.Г. Физиологический стресс и регуляция активности ге­нома клеток эукариотов // Успехи соврем, биологии. 1988. Т. 105, № 1. С. 3-14.

2. Дин Р. Процессы распада в клетке. М.: Мир, 1981. 120 с.

3. Заленский О.В. Эколого-физиологические   аспекты   изучения   фотосинтеза. Л.: Наука, 1977. с.57-60  (Тимирязевские чтения).

4.Ильинская Л.И., Васюкова Н.И., Озерецковская О.Л.   Биохимия аспекты индуцированной устойчивости и восприимчивости растений   М.:    1991 с. 197-199 (Итоги  науки и техники. Защита растений; Т. 7).

5. Курсанов А.Л. Взаимосвязь физиологических процессов в растении. М.: Издательство АН СССР, 1960. с.44-45  (20-е Тимирязев. чтение).

6.Одум Ю. Экология. М.: Мир, 1986. Т. 1. 328 с.

7. Вознесенский В.Л. Фотосинтез и дыхание растений в разных условиях среды // Фотосинтез и продукционный процесс / Под ред. А.А. Ничипоровича. М.: Наука, 1988. С. 132-137.

8. Блехман Г.И., Шеламова Н.А. Синтез и распад макромолекул в условиях стресса // Успехи соврем, биологии. 1992. Т. 112, № 2. С. 281-297.

9. Бурлакова Е.Б., Хохлов А.П. Изменение структуры и состава липидной фазы био­логических мембран при действии синтетических антиоксидантов: Влияние на пере­дачу информационного сигнала на клеточном уровне // Биол. мембраны. 1985. Т. 2, № 6. С. 557-562.

Страницы: 1, 2