Физиологическая роль аскорбиновой кислоты в жизни автотрофных организмов

14

Реферат

На тему:

ФИЗИОЛОГИЧЕСКАЯ РОЛЬ АСКОРБИНОВОЙ КИСЛОТЫ

В ЖИЗНИ АВТОТРОФНЫХ ОРГАНИЗМОВ

Ташкент 2009г.

ФИЗИОЛОГИЧЕСКАЯ РОЛЬ АСКОРБИНОВОЙ КИСЛОТЫ В ЖИЗНИ АВТОТРОФНЫХ ОРГАНИЗМОВ

Участие аскорбиновой кислоты в энергетических процессах растений

В хлоропластах содержится значительное количество АК, по весу не уступающее содержанию хлорофилла, а выраженное в молях даже превосходящее его. Этот факт, а также способность АК обратимо окисляться и восстанавливаться могут определять ее участие в важнейшем энергетическом процессе зеленых растений - в фотосинтезе. Действительно, многие экспериментальные исследования подтверждают такую возможность. В частности, показано, что аскорбат способствует биосинтезу хлорофилла и восстановлению его в темноте при участии активной МДАК. В семенах японской редьки при 48-часовом освещении возрастало содержание АК и пропорционально - содержание хлорофилла. Между количеством хлорофилла и АК отмечалась линейная зависимость при коэффициенте корреляции 0,96.

Основываясь на опытах по обратимому фотохимическому восстановлению хлорофилла АК в растворах пиридина, А.А. Красновский полагал, что этот процесс может представлять одну из стадий фотосинтеза. Подтверждая наличие реакции А.А. Красновского, в результате которой образовывалась красная восстановленная форма хлорофилла при освещении его растворов в пиридине в присутствии АК, Т. Баннистер уточнил, что донором электрона при фотовосстановлении хлорофилла может быть анион АК, возникающий при ее диссоциации в среде воды и пиридина.

На роль АК как донора электронов в фотосинтетических реакциях или в реакциях, тесно связанных с ними, указывал и Л. Мапсон. Он считал, что АК может участвовать в переносе электрона от пластохиона к цитохрому f. Другие авторы также рассматривали АК как переносчика электронов при фотосинтезе. По мнению Л. Мапсона, действительным переносчиком электронов является нестабильная МДАК, способная участвовать в цепи реакций нециклического фосфорилирования в растениях.

При изучении фотоокисления аскорбата изолированными хлоропластами шпината было показано, что АК может замещать воду как донор электронов для ФС II и что обе световые реакции и электрон-транспортная система между ними принимают участие в фотоокислении АК.

В ныне признанных схемах циклического и нециклического переноса электронов в процессе фотосинтеза среди переносчиков электронов нет АК, но в модельных системах АК часто используется как экзогенный донор электрона для ЭТЦ фотосинтеза. При блокировании переноса электронов между ФС I и ФС II дихлорфенилдиметилмочевиной электроны от АК могут поступать в ФС I .

АК необходима для фотофосфорилирования. В ее присутствии лучше сохраняется без инактивации фотосинтетический аппарат клетки, увеличивается фосфорилирование изолированных хлоропластов, стабилизируется фотофосфорилирование фрагментов фотосинтетических мембран.

Таким образом, участие АК в процессе фотосинтеза может проявляться или в биосинтезе фотосинтетического аппарата растительной клетки, или в его стабилизации, что будет способствовать повышению его фотохимической активности, а в конечном итоге - фотофосфорилированию.

Предположение о том, что, обладая окислительно-восстановительными свойствами, АК может участвовать в процессе дыхания, впервые было выдвинуто А. Сцент-Дьерди в 1927г. Позднее ряд исследователей рассматривал АК как существенный фактор дыхания. К.Е. Овчаров отмечал, что не случайно при прорастании семян имеет место энергичное образование АК, ведь энергия дыхания прорастающих семян очень высока.

Усиление дыхания под действием АК наблюдали многие авторы. Так, в присутствии аскорбата увеличивалось поглощение кислорода изолированными проростками ячменя, суспензией хлоропластов шпината и хлореллы, находящейся в темноте, срезанными стеблями томатов.

В процессе воздействия на дыхание важная роль принадлежит соотношению АК/ДАК, так как последняя, функционируя как переносчик водорода в дыхательной цепи растений, отвлекает часть водорода окисляемого субстрата, что, вероятно, и приводит к торможению дыхания. Показано, что ДАК тормозит активность дегидрогеназ, интенсивность восстановительных синтезов, образование макроаргических связей. Поэтому повышение отношения АК/ДАК за счет уменьшения ДАК сопровождается усилением дыхания и роста растительных клеток.

При окислении субстрата за счет отнятия водорода последний при участии переносчиков передается в зависимости от вида растения, сорта или стадии индивидуального развития на цитохромную систему, флавиновую или аскорбатоксидазу. Этот фермент может отдать водород непосредственно на кислород и выполнить функцию терминальной оксидазы:

Глютатион Редуктаза Аскорбат-

редуктаза ДАК оксидаза

SH₂ НАДФ 2 глютатион-SH ДАК Н₂О

S НАДФН₂ глютатион-S-S- АК 1/2 О₂

глютатион

Так как аскорбатоксидаза имеет ограниченное сродство к кислороду, можно полагать, что окисление через систему АК/ДАК имеет подчиненное значение. Однако Мапсон и Мустафа нашли, что у проростков гороха дыхание на 25% осуществляется за счет системы аскорбатоксидазы. При прорастании семян гороха примерно через пять дней в них появлялась аскорбиноксидазная система, для функционирования которой требовалась АК, восстановленный глютатион, НАД+Н⁺ и в качестве окисляемого субстрата - яблочная кислота. Аскорбиноксидазная система проростков была связана с растворимой частью цитоплазмы и не обнаруживалась в митохондриях.

По мнению Б.А. Рубина и М.Е. Ладыгиной, аскорбатоксидаза участвует и в дыхании хлоропластов, дыхательная цепь которых схематически изображается следующим образом:

Система пероксидазы

ДАК АК -- Аскорбинатоксидаза

НАДФ+Н₂⁺ О₂

Хинон фенол -- о-Дифенолоксидаза

Цитохром в₆

В молодых плодах лимона система переноса электронов от дыхательного субстрата - яблочной кислоты на кислород также включает АК, оксидоредуктазу АК и глютатион. Интересно отметить, что, как показано в данной работе, глютатион и АК стимулировали дыхание только в августе - декабре, а в январе-июне угнетали.

Наряду с фактами активации дыхания в присутствии АК известны примеры прямо противоположного ее действия. Так, наблюдалось ингибирование аскорбатом дыхания корней проростков пшеницы в условиях торможения окислительной активности эндоплазматического ретикулума, что, вероятно, связано с усилением аскорбатзависимого перикисного окисления липидов. Возможность стимуляции окисления жирных кислот (особенно стеариновой) в присутствии увеличивающихся доз АК (до 106,56 мМ) была показана ранее.

Исследуя взаимосвязь между биосинтезом АК и развитием нечувствительного к цианиду дыхания в срезах клубней картофеля, авторы предположили, что АК необходима для синтеза белков, участвующих в дыхании по нечувствительному к цианиду пути. В связи с чем АК рассматривается как фактор, контролирующий данный тип дыхания.

Таким образом, АК может участвовать в дыхательном процессе как непосредственный переносчик водорода и как ко-фактор, стимулирующий процесс, о чем говорят данные только что рассмотренного исследования. Причем доля дыхания через систему АК/ДАК может колебаться и в некоторых случаях становиться доминирующей. Так, у растений табака, пораженных картофельным вирусом У основной вклад в интенсивность дыхания вносила система глютатион-аскорбат.

Влияние аскорбата на экспрессию генома, ферментативную активность, водный режим, ростовые и другие процессы

Рассматривая вопрос о физиологической роли АК в растениях, Чикай и Сингх указывают, что АК активирует реакции метаболизма, связанные с обменом нуклеиновых кислот. Это возможно за счет того, что АК играет роль дерепрессора, снимающего репрессорное действие гистонов на ДНК. Таким путем АК освобождает большее число матриц для синтеза мРНК.

Наиболее существенное физиологическое воздействие АК на растения обусловлено тем, что она оказывает влияние на ферментативную активность. В ее присутствии активируется тиоглюкозидаза, мирозиназа, ферментативный гидролиз бензилглюкозинолата, протеазы, амилазы, усиливается синтез РНК и активность РНК-азы, хотя другие исследования последнее не подтверждают.

Характер действия окисленных форм АК на ферментативную активность может быть иным, чем у восстановленной АК. Так, если восстановленная АК активировала фосфоглюкомутазу семян гороха, то ДАК снижала, а ДКГК - не оказывала влияния. Другой пример: АК и ДКГК в анаэробных условиях не меняли активность ферментных систем, окисляющих сукцинат и глюкоза-6-фосфат, а ДАК при этом оказывала тормозящее действие.

Известны случаи ингибирующего влияния на активность ферментов и восстановленной формы АК. Это показано для полифенолоксидазы и протеолитических ферментов, для которых АК является антагонистом. АК вызывала лаг-фазу в активности пероксидазы, которая снималась аскорбатоксидазой.

Механизм действия АК на ферментативную активность различных энзимов, вероятно, не одинаков. Активацию претеолитических ферментов аскорбатом объясняют тем, что в присутствии АК восстанавливаются дисульфидные группировки. Стимуляция тиоглюкозидазы может происходить за счет того, что АК вызывает конформационное изменение молекулы фермента, сопровождающееся увеличением сродства к субстрату. Есть мнение, что действие АК затрагивает геном растений: она контролирует кодирующий механизм, дифференцированно влияя на синтез РНК и скорость реакций различных ферментов. Полагают, что АК может играть роль гормона, мобилизующего ферменты.

Таким образом, действие АК на ферментативную активность может проявляться или в изменении активности уже имеющихся ферментов, или в изменении скорости их синтеза.

АК оказывает существенное влияние на водный режим растений. Оно проявляется в торможении поступления воды, уменьшении оводнённости, в изменении подвижности внутриклеточной воды, ускорении транспирации. Хотя в отношении последнего имеются и прямо противоположные данные.

Под действием АК изменяется соотношение свободной и связанной воды за счет увеличения свободной. Механизм действия АК на поступление и потерю воды объясняют изменением коллоидно-химических свойств протоплазмы, а также деполяризацией протоплазменных мембран.

Важную роль АК играет в процессах роста и развития растений. Она обеспечивает дружное и более быстрое прорастание семян у пшеницы, овса, кукурузы, кунжута и других растений; активирует рост гипокотиля и корней, проростков люпина, растений ячменя и помидоров, семядоли которых были удалены после прорастания, пазушных побегов. Имеются данные о стимуляции роста стеблей тростника окисленной формой АК. Определяя содержание АК в 5-7-дневных проростках гороха и кукурузы, Г.Ф.Проценко показала, что растения, отличающиеся быстрым ростом, содержали меньше АК, чем медленно растущие. На основании чего автор полагает, что АК принимает участие в биохимических превращениях, лежащих в основе роста. Действительно, АК меньше используется карликовыми сортами сорго, хотя ее содержание, как показано в данной работе, почти одинаково у высоко-, средне- и низкорослого сортов.

Определенную роль АК играет в процессах цветения, вегетативной и репродуктивной дифференциации. Она стимулирует растяжение и морфогенез клетки, цветение некоторых растений. Уровень АК резко повышается в начале дифференциации цветков. Обработка растений АК увеличивает количество мужских и женских цветков, но уменьшает их соотношение по сравнению с контролем. Отмечено стимулирующее действие АК на клубнеобразование картофеля и его прорастание. Введение АК в питательную среду значительно усиливало прорастание пыльцы хлопчатника, а обработка растений АК ускоряла образование и уменьшала опадение завязей. Плоды абрикоса и сливы быстрее созревали в присутствии АК. Общее воздействие АК на растение проявляется в задержке старения листьев, то есть распада хлорофилла, РНК, ДНК.

Стимулирующее действие АК на ростовые процессы для каждого вида и сорта растений проявляется в определенных пределах концентраций. Обработка семян яровой пшеницы АК в концентрации 0,01% стимулировала ростовые процессы, а в концентрации 0,1% - подавляла их. Для корней кукурузы стимулирующим рост оказался раствор АК в концентрации 0,05-0,005%, а в концентрации 0,05-2,5% - ингибирующим. В ряде опытов стимуляция роста отрезков колеоптилей овса под действием АК наблюдалась в узких пределах концентраций (0,3·10^-3 - 4,5·10^-3 М).

Наряду со стимуляцией роста при обработке растений АК происходит увеличение содержания последней, тем самым увеличивается суммарное воздействие АК на ростовые процессы.

Отмеченное в ряде работ отсутствие стимуляции или даже угнетение роста под действием АК можно объяснить тем, что АК при окислении быстро превращается в ДАК, которая замедляет рост. Так, ингибирование роста, наблюдаемое у карликовых мутантов кукурузы, имело место при более высоком отношении ДАК/АК по сравнению с нормально растущими растениями и, как заключает автор, рост связан с более восстановленным состоянием клетки [340]. Хотя поддерживать его за счет восстановленной АК непросто, так как у карликовых и нормально растущих растений кукурузы наибольшая активность свободного и связанного с клеточными стенками фермента, окисляющего АК, - АО - обнаружена в тканях мезокотиля с активным растяжением клеток. Таким образом, для активного роста растений необходимо высокое содержание восстановленной формы АК при активной АО.

Ингибирующее действие АК на ростовые процессы находит и другое объяснение с учетом результатов следующего опыта: 30-дневные растения пшеницы опрыскивали в течение 11 дней 0,001 и 0,005 М растворами АК. Это привело к снижению высоты растений, количества побегов, массы надземной части, содержания общего количества свободных аминокислот. В связи с чем угнетающее действие АК на рост автор связывает с влиянием ее на синтез аминокислот. Конкретнее, это может проявляться в ингибировании переаминирования глутаминовой кислоты и аланина.

Таким образом, в литературе имеются данные о стимуляции и ингибировании ростовых процессов у растений под действием АК. Естественно, это можно объяснить и видовой специфичностью объектов исследования, и конкретными условиями опытов. Но в любом случае для окончательного решения вопроса необходим одновременный анализ всех кислот системы АК: АК ДАК ДКГК, так как свойства АК и ДАК как доноров электронов, источников водорода - прямо противоположные, что, несомненно, сказывается на их воздействии на ростовые процессы. При этом легкость перехода АК в ДАК и наоборот усложняет ситуацию определения действующего начала. Тем не менее большинство авторов разделяет точку зрения о том, что в присутствии АК отмечается стимуляция ростовых процессов.

Механизм действия АК на рост может быть двояким. С одной стороны, АК может выполнять функцию дерепрессора, снимающего репрессию синтеза ДНК гистонами, что определяет ее участие в работе кодирующего механизма клетки. С другой стороны, действие АК на рост может быть опосредовано через ауксины. Показано, что АК может тормозить окисление индолилуксусной кислоты, катализируемое пероксидазой, возможно, прямо связываясь с ИУК. В этом случае АК выступает как конкурентный ингибитор пероксидазы, защищая ИУК от разрушения. Стоит отметить, что существовало мнение, согласно которому специфическая активность ауксинов сама является результатом их первичного воздействия на обмен АК.

Особый интерес для биотехнологии, и в частности для отработки методов культивирования растительных тканей, представляют данные о накоплении АК этими тканями и о стимуляции их роста АК.

АК оказывает влияние на азотистый обмен растений. Обработка пшеницы раствором АК приводила к уменьшению в листьях количества свободных аминокислот и некоторому повышению содержания нерастворимого азота. Присутствие АК в функционирующих клубеньках вигны говорит о возможном ее участии в процессе азотфиксации.

Под действием АК активируются некоторые биосинтетические процессы. Показана необходимость АК для биосинтеза оксипролинсодержащих белков в растениях и синтеза алкалоидов в недифференцированной каллюсной ткани мака снотворного. АК вызывала снижение окислительно-восстановительного потенциала березы, что ускоряло переход к вегетации, связанной с синтезом биополимеров.

Экзогенный аскорбат оказывает действие на разность поверхностных биопотенциалов, сдвигая ее в область положительных значений у набухающих семян кукурузы и пшеницы. АК снимала индуцируемое феррицианидом увеличение рО₂ у элодеи и валлиснерии.

Таким образом, даже конспективное перечисление тех процессов, в которых принимает участие АК: фотосинтез, дыхание, рост, развитие, устойчивость, экспрессия генома, ферментативная активность, биосинтетические и биофизические процессы, азотфиксация, восстановление нитритов - говорит о том, что АК затрагивает практически все стороны жизнедеятельности растений и относится к числу важнейших полифункциональных соединений автотрофных организмов.

Защитная функция аскорбиновой кислоты

АК выполняет важную защитную функцию, что, прежде всего, проявляется в отношении растений к пониженным температурам. В ряде работ показана роль АК в формировании зимостойкости. Это касается интродуцируемых растений, плодово-ягодных культур и злаков, зимостойкие сорта которых накапливали больше АК, чем менее зимостойкие.

Большое количество работ посвящено исследованию действия АК на иммунные свойства растений, так как считается, что одним из проявлений активного иммунитета растений является нормальное или повышенное образование в них АК. Например, содержание АК в плодах манго, превышающее 40 мг %, увеличивает их устойчивость к поражению бактериями, вызывающими черную пятнистость плодов.

Ответной реакцией на многие поражения растений является усиленный биосинтез АК. Так, в листьях виноградной лозы, восприимчивых к антракнозу, обнаружено повышенное содержание АК при высокой активности АО. Высоким был уровень АК в листьях баклажана, подверженных вертициллезному увяданию. Обработка восприимчивых к нематоде сортов томатов раствором АК (45 мМ) на 96-99% снижала их поражаемость. Полагают, что АК используется для синтеза митохондриальных оксипролин-содержащих белков, которые определяют устойчивость томатов к нематоде.

Известно мнение, что защитную функцию выполняет не восстановленная АК, а ее окисленная форма, так как у устойчивого к пероноспорозу сорта гороха в клетках, расположенных у очага поражения, часть АК была представлена окисленной формой. Она-то, как считают авторы, и служит барьером на пути возбудителя. У восприимчивых сортов гороха в местах проникновения патогена обнаружена только восстановленная форма АК.

Защитное действие АК проявляется и при радиационном поражении растений. Предпосевное облучение сухих семян кукурузы различными дозами рентгеновских лучей (до 22 тыс. рентген) и гамма-лучей (до 33 тыс. рентген) вызывало при больших дозах радиации увеличение у растений содержания АК. В связи с этим предпринимаются попытки выяснить защитное действие пре- и постобработки экзогенной АК на семена, подвергнутые воздействию гамма-излучения. Уже имеются данные о том, что замачивание семян ячменя в 0,5 М растворе АК за час до облучения снижало количество поврежденных облучением проростков и стимулировало их рост. При облучении в летальных дозах количество АК может уменьшаться, возможно, за счет того, что возрастает ее расход на окисление липидов.

Столь же актуальным, как исследование защитной роли АК при радиационном облучении, является изучение защитных свойств соединений системы АК в отношении растений, обрабатываемых гербицидами. Для практики сельского хозяйства определенный интерес может представлять тот факт, что коэффициент восстановления - окисления ДАК и АК соответственно был значительно выше у сортов, устойчивых к полеганию.

Повышенным уровнем АК отличаются пораженные раком органы картофеля. По данным Р.Маковер, АК ослабляет его побурение. Некоторые производные АК - аскорбат калия, аскорбат кальция - способны защищать листья фасоли от повреждений, вызываемых озоном. Каким образом растения могут защищать себя от губительного действия озона, используя АК ? Предполагается, что диффундирующий в листья озон прежде всего реагирует с АК, сконцентрированной в клеточных стенках, и это ограничивает его проникновение в наиболее уязвимые ткани. Другие механизмы инактивации озона в клеточной стенке, такие, как разрушение его в результате образования перекисей и реакций с этиленом, вероятно, не столь эффективны.

Экзогенный аскорбат может снимать ингибирование нитратредуктазы в листьях овса в темноте вызванное перекисью. Возможная функция АК и компонентов ее системы в растениях, находящихся в условиях стресса, рассматривается в ряде работ.

Таким образом, при участии АК формируется устойчивость растений по отношению ко многим неблагоприятным воздействиям: к пониженной температуре, радиации, вирусной и бактериальной инфекции и т.д. Учитывая результаты цитированных выше работ, можно рекомендовать использование обработки АК для борьбы с возбудителями некоторых заболеваний растений. Кроме этого, уровень эндогенной АК может служить тестом, характеризующим устойчивость растений. В перспективе растения, обладающие высоким показателем тестирования по данному признаку, можно использовать при получении растений с заданными свойствами методами соматической гибридизации и генной инженерии.

Библиографический список

1. Алиева З.Н. // Уч. зап. Азербайджанского ун-та. 1973. № 4. С. 71-75.

2. Алиева З.Н. // Уч. зап. Азербайджанского ун-та. Сер. биол. наук. 1975. № 2. С.62-65.

3. Верхотурова Г.С., Кудинова Л.И., Астафурова Т.П. // Физиология растений. 1987. Т. 33. № 2. С. 261-265.

4. 18. Воскресенская Н.П. // Тр. Ин-та физиологии растений АН СССР. 1953. Т. 8. № 1. С. 42-55.

5. Воскресенская Н.П. Фотосинтез и спектральный состав света. М.: Наука, 1965. 311 с.

6. Девятнин В.А. // Биохимия. 1950. Т. 15. № 4. С. 323-329.

7. Девятнин В.А. // Тр. Всесоюз. науч.-исслед. витаминного ин-та. 1953. № 4. С.128-131.

8. 128. Рожковский А.Д., Бухов Н.Т., Воскресенская Н.П. // Физиология растений. 1985. Т. 32. № 6. С. 1046-1054.

9. Чупахина Г.Н. // Тез. Всесоюз. симпозиума "Связь метаболизма углерода и азота при фотосинтезе". Пущино, 1985. С. 88-89.

10. Chia-Ping H. Yang // Biol. plant. 1982. Vol. 24. N 4. P. 296-302.

11. Helsper J. P. F. G., Loewus F.A. // Plant Sci. 1985. Vol. 40. N 2. P. 105-109.

12. Романов Г. А. Рецепторы фитогормопов // Физиол. раст. 2002. Т.49, № 1. С 615 625

13. Wills, R.B.H., M.A. Warton, and V.V.V. Ku. 2000. Ethylene levels associated with fruit and vegetables during marketing. Austral. J. Exp. Agr. 40:465-470.

14. Шакирова Ф.М., Безрукова М.В., Сахабутдинова А.Р. Влияние салициловой кислоты на урожайность яровой пшеницы и баланс фитогормонов пшеницы в растениях в онтогенезе // Агрохимия. 2000. № 5. С. 52-56.