Организация метаболизма растений

Размещено на http://www.allbest.ru/

Строение и функции лизосом и пероксисом. Лизосомы

Лизосомы (от гр. lysis - «разложение, растворение, распад» и soma - «тело») - это пузырьки диаметром 200-400 мкм. (обычно). Имеют одномембранную оболочку, которая снаружи иногда бывает покрыта волокнистым белковым слоем. Содержат набор ферментов (кислых гидролаз), которые осуществляют при низких значениях рН гидролитическое (в присутствии воды) расщепление веществ (нуклеиновых кислот, белков, жиров, углеводов). Основная функция - внутриклеточное переваривание различных химических соединений и клеточных структур.

Выделяют первичные (неактивные) и вторичные лизосомы (в них протекает процесс переваривания). Вторичные лизосомы образуются из первичных. Они подразделяются на гетеролизосомы и аутолизосомы.

В гетеролизосомах (или фаголизосомах) протекает процесс переваривания материала, который поступает в клетку извне путем активного транспорта (пиноцитоза и фагоцитоза).

В аутолизосомах (или цитолизосомах) подвергаются разрушению собственные клеточные структуры, которые завершили свою жизнь.

Вторичные лизосомы, которые уже перестали переваривать материал, называются остаточными тельцами. В них нет гидро-лаз, содержится непереваренный материал.

При нарушении целостности мембраны лизосом или при заболевании клетки гидролазы поступают внутрь клетки из лизосом и осуществляют ее самопереваривание (автолиз). Этот же процесс лежит в основе процесса естественной гибели всех клеток (апоптоза).

Микротельца

Микротельца составляют сборную группу органелл. Они представляют собой пузырьки диаметром 100-150 нм, отграниченные одной мембраной. Содержат мелкозернистый матрикс и нередко белковые включения.

К таким органеллам можно отнести и пероксисомы. В них содержатся ферменты группы оксидаз, которые регулируют образование пероксида водорода (в частности, каталаза).

Так как пероксид водорода - токсичное вещество, оно подвергается расщеплению под действием пероксидазы. Реакции образования и расщепления пероксида водорода включены во многие метаболические циклы, особенно активно протекающие в печени и почках.

Поэтому в клетках этих органов количество пероксисом достигает 70--100.

Эндоплазматический ретикулум (ЭПС) - система сообщающихся или отдельных трубчатых каналов и уплощенных цистерн, расположенных по всей цитоплазме клетки. Они отграничены мембранами (мембранными органеллами). Иногда цистерны имеют расширения в виде пузырьков. Каналы ЭПС могут соединяться с поверхностной или ядерной мембранами, контактировать с комплексом Гольджи.

В данной системе можно выделить гладкую и шероховатую (гранулярную) ЭПС.

Шероховатая ЭПС

На каналах шероховатой ЭПС в виде полисом расположены рибосомы. Здесь протекает синтез белков, преимущественно продуцируемых клеткой на экспорт (удаление из клетки), например, секретов железистых клеток. Здесь же происходят образование липи-дов и белков цитоплазматической мембраны и их сборка. Плотно упакованные цистерны и каналы гранулярной ЭПС образуют слоистую структуру, где наиболее активно протекает синтез белка. Это место называется эргастоплазмой.

Гладкая ЭПС

На мембранах гладкой ЭПС рибосом нет. Здесь протекает в основном синтез жиров и подобных им веществ (например, стероидных гормонов), а также углеводов. По каналам гладкой ЭПС также происходит перемещение готового материала к месту его упаковки в гранулы (в зону комплекса Гольджи). В печеночных клетках гладкая ЭПС принимает участие в разрушении и обезвреживании ряда токсичных и лекарственных веществ (например, барбитуратов). В поперечно-полосатой мускулатуре канальцы и цистерны гладкой ЭПС депонируют ионы кальция.

Комплекс Гольджи

Пластинчатый комплекс Гольджи - это упаковочный центр клетки. Представляет собой совокупность диктиосом (от нескольких десятков до сотен и тысяч на одну клетку). Диктиосома - стопка из 3--12 уплощенных цистерн овальной формы, по краям которых расположены мелкие пузырьки (везикулы). Более крупные расширения цистерн дают вакуоли, содержащие резерв воды в клетке и отвечающие за поддержание тургора. Пластинчатый комплекс дает начало секреторным вакуолям, в которых содержатся вещества, предназначенные для вывода из клетки. При этом просекрет, поступающий в вакуоль из зоны синтеза, (ЭПС, митохондрии, рибосомы), подвергается здесь некоторым химическим превращениям.

Комплекс Гольджи дает начало первичным лизосомам. В диктио-сомах также синтезируются полисахариды, гликопротеиды и глико-липиды, которые затем идут на построение цитоплазматических мембран.

В эту группу органоидов входят рибосомы, микротрубочки и микрофиламенты, клеточный центр. Рибосома

Это округлая рибонуклеопротеиновая частица. Диаметр ее составляет 20-30 нм. Состоит рибосома из большой и малой субъединиц, которые объединяются в присутствии нити м-РНК (матричной, или информационной, РНК). Комплекс из группы рибосом, объединенных одной молекулой м-РНК наподобие нитки бус, называется полисомой. Эти структуры либо свободно расположены в цитоплазме, либо прикреплены к мембранам гранулярной ЭПС (в обоих случаях на них активно протекает синтез белка).

Полисомы гранулярной ЭПС образуют белки, выводимые из клетки и используемые для нужд всего организма (например, пищеварительные ферменты, белки женского грудного молока). Кроме этого, рибосомы присутствуют на внутренней поверхности мембран митохондрий, где также принимают активное участие в синтезе белковых молекул.

Микротрубочки

Это трубчатые полые образования, лишенные мембраны. Внешний диаметр составляет 24 нм, ширина просвета - 15 нм, толщина стенки - около 5 нм. В свободном состоянии представлены в цитоплазме, также являются структурными элементами жгутиков, центриолей, веретена деления, ресничек. Микротрубочки построены из стереотипных белковых субъединиц путем их полимеризации. В любой клетке процессы полимеризации идут параллельно процессам деполимеризации. Причем соотношение их определяется количеством микротрубочек. Микротрубочки имеют различную устойчивость к разрушающим их факторам, например, к колхицину (это химическое вещество, вызывающее деполимеризацию). Функции микротрубочек:

1) являются опорным аппаратом клетки;

2) определяют формы и размеры клетки;

3) являются факторами направленного перемещения внутриклеточных структур.

Микрофиламенты

Это тонкие и длинные образования, которые обнаруживаются по всей цитоплазме. Иногда образуют пучки. Виды микрофиламентов:

1) актиновые. Содержат сократительные белки (актин), обеспечивают клеточные формы движения (например, амебоидные), играют роль клеточного каркаса, участвуют в организации перемещений органелл и участков цитоплазмы внутри клетки;

2) промежуточные (толщиной 10 нм). Их пучки обнаруживаются по периферии клетки под плазмалеммой и по окружности ядра. Выполняют опорную (каркасную) роль. В разных клетках (эпителиальных, мышечных, нервных, фибробластах) построены из разных белков.

Микрофиламенты, как и микротрубочки, построены из субъединиц, поэтому их количество определяется соотношением процессов полимеризации и деполимеризации.

Клетки всех животных, некоторых грибов, водорослей, высших растений характеризуются наличием клеточного центра. Клеточный центр обычно располагается рядом с ядром.

Он состоит из двух центриолей, каждая из которых представляет собой полый цилиндр диаметром около 150 нм, длиной 300-500 нм.

Центриоли расположены взаимоперпендикулярно. Стенка каждой центриоли образована 27 микротрубочками, состоящими из белка тубулина. Микротрубочки сгруппированы в 9 триплетов.

Из центриолей клеточного центра во время деления клетки образуются нити веретена деления.

Центриоли поляризуют процесс деления клетки, чем достигается равномерное расхождение сестринских хромосом (хроматид) в анафазе митоза.

Гиалоплазма

Гиалоплазма - основное вещество цитоплазмы, заполняет все пространство между плазматической мембраной, оболочкой ядра и другими внутриклеточными структурами. Гиалоплазму можно рассматривать как сложную коллоидную систему, способную существовать в двух состояниях: золеобразном (жидком) и гелеобразном, которые взаимно переходят одно в другое. В процессе этих переходов осуществляется определенная работа, затрачивается энергия. Гиалоплазма лишена какой-либо определенной организации. Химический состав гиалоплазмы: вода (90 %), белки (ферменты гликолиза, обмена сахаров, азотистых оснований, белков и липидов). Некоторые белки цитоплазмы образуют субъединицы, дающие начало таким органеллам, как центриоли, микрофиламенты.

Функции гиалоплазмы:

1) образование истинной внутренней среды клетки, которая объединяет все органеллы и обеспечивает их взаимодействие;

2) поддержание определенной структуры и формы клетки, создание опоры для внутреннего расположения органелл;

3) обеспечение внутриклеточного перемещения веществ и структур;

4) обеспечение адекватного обмена веществ как внутри самой клетки, так и с внешней средой.

Включения

Это относительно непостоянные компоненты цитоплазмы. Среди них выделяют:

1) запасные питательные вещества, которые используются самой клеткой в периоды недостаточного поступления питательных веществ извне (при клеточном голоде), - капли жира, гранулы крахмала или гликогена;

2) продукты, которые подлежат выделению из клетки, например, гранулы зрелого секрета в секреторных клетках (молоко в лактоцитах молочных желез);

3) балластные вещества некоторых клеток, которые не выполняют какой-либо конкретной функции (некоторые пигменты, например, липофусцин стареющих клеток).

Вирусы - доклеточные формы жизни, которые являются облигатными внутриклеточными паразитами, т. е. могут существовать и размножаться только внутри организма хозяина. Вирусы были открыты Д. И. Ивановским в 1892 г. (он изучал вирус табачной мозаики), но доказать их существование удалось намного позднее.

Многие вирусы являются возбудителями заболеваний, таких как СПИД, коревая краснуха, эпидемический паротит (свинка), ветряная и натуральная оспа.

Вирусы имеют микроскопические размеры, многие из них способны проходить через любые фильтры. В отличие от бактерий, вирусы нельзя выращивать на питательных средах, так как вне организма они не проявляют свойств живого. Вне живого организма (хозяина) вирусы представляют собой кристаллы веществ, не имеющих никаких свойств живых систем.

Строение вирусов

Зрелые вирусные частицы называются вирионами. Фактически они представляют собой геном, покрытый сверху белковой оболочкой. Эта оболочка - капсид. Она построена из белковых молекул, защищающих генетический материал вируса от воздействия нуклеаз - ферментов, разрушающих нуклеиновые кислоты.

У некоторых вирусов поверх капсида располагается суперкапсидная оболочка, также построенная из белка. Генетический материал представлен нуклеиновой кислотой. У одних вирусов это ДНК (так называемые ДНК-овые вирусы), у других - РНК (РНК-овые вирусы).

РНК-овые вирусы также называют ретровирусами, так как для синтеза вирусных белков в этом случае необходима обратная транскрипция, которая осуществляется ферментом - обратной транскриптазой (ревертазой) и представляет собой синтез ДНК на базе РНК.

Размножение вирусов

При внедрении вируса внутрь клетки-хозяина происходит освобождение молекулы нуклеиновой кислоты от белка, поэтому в клетку попадает только чистый и незащищенный генетический материал. Если вирус ДНК, то молекула ДНК встраивается в молекулу ДНК хозяина и воспроизводится вместе с ней. Так появляются новые вирусные ДНК, неотличимые от исходных. Все процессы, протекающие в клетке, замедляются, клетка начинает работать на воспроизводство вируса. Так как вирус является облигатным паразитом, то для его жизни необходима клетка-хозяин, поэтому она не погибает в процессе размножения вируса. Гибель клетки происходит только после выхода из нее вирусных частиц.

Если это ретровирус, внутрь клетки-хозяина попадает его РНК. Она содержит гены, обеспечивающие обратную транскрипцию: на матрице РНК строится одноцепочечная молекула ДНК. Из свободных нуклеотидов достраивается комплементарная цепь, которая и встраивается в геном клетки-хозяина. С полученной ДНК информация переписывается на молекулу и-РНК, на матрице которой затем синтезируются белки ретровируса.

Бактериофаги

Это вирусы, паразитирующие на бактериях. Они играют большую роль в медицине и широко применяются при лечении гнойных заболеваний, вызванных стафилококками и др. Бактериофаги имеют сложное строение. Генетический материал находится в головке бактериофага, которая сверху покрыта белковой оболочкой (капсидом). В центре головки находится атом магния. Далее идет полый стержень, который переходит в хвостовые нити. Их функция - узнавать свой вид бактерий, осуществлять прикрепление фага к клетке. После прикрепления ДНК выдавливается в бактериальную клетку, а оболочки остаются снаружи.

Цитоплазма и её органоиды

Цитоплазма представляет собой водянистое вещество - цитозоль (90 % воды), в котором располагаются различные органеллы, а также питательные вещества (в виде истинных и коллоидных растворов) и нерастворимые отходы метаболических процессов. В цитозоле протекает гликолиз, синтез жирных кислот, нуклеотидов и других веществ. Цитоплазма является динамической структурой. Органеллы движутся, а иногда заметен и циклоз - активное движение, в которое вовлекается вся протоплазма.

Перечислим основные органеллы, характерные и для клеток животных, и для клеток растений.



Рис.

Митохондрии иногда называют «клеточными электростанциями». Это спиральные, округлые, вытянутые или разветвлённые органеллы, длина которых изменяется в пределах 1,5-10 мкм, а ширина - 0,25-1 мкм. Митохондрии могут изменять свою форму и перемещаться в те области клетки, где потребность в них наиболее высока. В клетке содержится до тысячи митохондрий, причём это количество сильно зависит от активности клетки. Каждая митохондрия окружена двумя мембранами, внутри которых содержатся РНК, белки и митохондриальная ДНК, участвующая в синтезе митохондрий наряду с ядерной ДНК. Внутренняя мембрана сложена в складки, называемые кристами. Возможно, митохондрии некогда были свободнодвижущимися бактериями, которые, случайно проникнув в клетку, вступили с хозяином в симбиоз. Важнейшей функцией митохондрий является синтез АТФ, происходящий за счёт окисления органических веществ.



Рис.

Эндоплазматическая сеть - это сеть мембран, пронизывающих цитоплазму эукариотических клеток. Её можно наблюдать только при помощи электронного микроскопа. Эндоплазматическая сеть связывает органеллы между собой, по ней происходит транспорт питательных веществ. Гладкая ЭПС имеет вид трубочек, стенки которых представляют собой мембраны, сходные по своей структуре с плазматической мембраной. В ней осуществляется синтез липидов и углеводов. На мембранах каналов и полостей гранулярной ЭПС расположено множество рибосом; данный тип сети участвует в синтезе белка.

Рибосомы - мелкие (15-20 нм в диаметре) органеллы, состоящие из р-РНК и полипептидов. Важнейшая функция рибосом - синтез белка. Их количество в клетке весьма велико: тысячи и десятки тысяч. Рибосомы могут быть связаны с эндоплазматической сетью или находиться в свободном состоянии. В процессе синтеза обычно одновременно участвуют множество рибосом, объединённых в цепи, называемые полирибосомами.

http://www.biology.ru/course/design/images/buttonModel_h.gif

Рис.

Аппарат Гольджи представляет собой стопку мембранных мешочков (цистерн) и связанную с ними систему пузырьков. На наружной, вогнутой стороне стопки из пузырьков (отпочковывающихся, по-видимому, от гладкой эндоплазматической сети) постоянно образуются новые цистерны, на внутренней стороне цистерны превращаются обратно в пузырьки. Основной функцией аппарата Гольджи является транспорт веществ в цитоплазму и внеклеточную среду, а также синтез жиров и углеводов, в частности, гликопротеина муцина, образующего слизь, а также воска, камеди и растительного клея. Аппарат Гольджи участвует в росте и обновлении плазматической мембраны и в формировании лизосом.



Рис.

Лизосомы представляют собой мембранные мешочки, наполненные пищеварительными ферментами. Особенно много лизосом в животных клетках, здесь их размер составляет десятые доли микрометра. Лизосомы расщепляют питательные вещества, переваривают попавшие в клетку бактерии, выделяют ферменты, удаляют путём переваривания ненужные части клеток. Лизосомы также являются «средствами самоубийства» клетки: в некоторых случаях (например, при отмирании хвоста у головастика) содержимое лизосом выбрасывается в клетку, и она погибает.

Рис.



Рис.

Пероксисомы (микротельца) имеют округлые очертания и окружены мембраной. Их размер не превышает 1,5 мкм. Пероксисомы связаны с эндоплазматической сетью и содержат ряд важных ферментов, в частности, каталазу, участвующую в разложении перекиси водорода.

Почти во всех эукариотических клетках имеются полые цилиндрические органеллы диаметром около 25 нм, называющиеся микротрубочками. В длину они могут достигать нескольких микрометров. Стенки микротрубочек сложены из белка тубулина. В клетках животных и низших растений встречаются центриоли - мелкие полые цилиндры длиной в десятые доли микрометра, построенные из 27 микротрубочек. Во время деления клетки они образуют веретено, вдоль которого выстраиваются хромосомы. Центриолям по структурам идентичны базальные тельца, содержащиеся в жгутиках и ресничках. Эти органеллы вызывают биение жгутиков. Другая функция микротрубочек - транспорт питательных веществ. Микротрубочки представляют собой достаточно жёсткие структуры и поддерживают форму клетки, образуя своеобразный цитоскелет. С опорой и движением связана и ещё одна форма органелл - микрофиламенты - тонкие белковые нити диаметром 5-7 нм.

Рис.

Рис.

Роль пероксисом в организации метаболизма растений

Метаболические пути -- это биохимический каркас целостной организации клетки и организма. Организация метаболических путей в растениях характеризуется наличием двух различных отсеков (компартментов), генерирующих восстановительные эквиваленты и АТФ: хлоропластов и митохондрий, тогда как в животных клетках данные процессы протекают только в митохондриях. Взаимодействие этих двух противоположных по функциям типов энергетических органелл в растительной клетке предусматривает организацию потоков метаболитов, которая составляет целостную регулируемую систему, специфичную именно для растительного организма. При этом энергетические особенности растительной клетки заключаются в том, что многие окислительные процессы не сопровождаются запасанием энергии и даже характеризуются ее рассеиванием в виде тепла. К ним относятся реакции, которые регулируют окислительно-восстановительный баланс клетки и обусловливают сопряжение процессов, протекающих в различных клеточных компартментах, в частности в хлоропластах и митохондриях.

В осуществлении этих реакций важная роль принадлежит пероксисомам (микротельцам) -- органеллам, в которых окисление не связано с генерацией энергии. Процессы, протекающие в микротельцах, оказываются существенным моментом объединения потоков метаболитов в растениях в целостную систему. По имеющимся данным, микротельца играли большую роль в эволюции метаболизма растений.

Термин "микротельца" будем рассматривать как синоним термина "пероксисомы", отдавая предпочтение последнему, так как данные органеллы, имея, как сей час уже вполне очевидно, единое происхождение, объединены свойством генерировать и разлагать пероксид водорода. Термин "микротельца" как довольно неопределенный не представляется удачным, и различные разновидности данной органеллы целесообразно рас сматривать как модификации пероксисом.

Микротельца отделены от цитозоля одной мембраной и, следовательно, относятся к неплазматическим компартментам. Они характеризуются отсутствием нуклеиновых кислот, АТФ и ориентацией С-концевого участка мембранных белков в сторону цитоплазмы [1]. В организации растительной клетки велика роль неплазматического компартмента, который занимает значительную ее часть. Развитие неплазматического компартмента, в первую очередь вакуолей, обусловлено переходом растений к условиям жизни на суше. У высших растений вакуоль стала органеллой, запасающей воду и заполняющей внутреннее пространство, что увеличивает раз меры растения для лучшего использования энергии солнечного света и в значительной мере детерминирует его морфологию. Вакуоли поддерживают высокий ионный и градиентный потенциал на мембранах, что про исходит за счет образования некоторых специфических, в том числе окисленных, соединений. Водоросли обычно не имеют развитой системы вакуолей, тогда как в высших растениях объем и состав вакуолей сильно различаются в разных тканях.

В отличие от вакуолей, выполняющих гидролитическую, запасающую и осморегулирующую функции, пероксисомы могут рассматриваться как органеллы, через которые осуществляется сопряжение метаболизма цитозоля, хлоропластов, митохондрий. Некоторые соединения, образующиеся в других компартментах, не могут быть вовлечены в метаболизм, не пройдя стадию пероксисомального окисления.

Все микротельца содержат специфическую систему переноса электронов, характеризующуюся образованием и разложением пероксида водорода и не связанную с генерацией протонного потенциала и синтезом АТФ. Пероксид водорода образуется при окислении флавина на флавиновой оксидазе, на который переносятся про тоны и электроны окисляемых метаболитов. Пероксид далее разрушается каталазой, активность которой велика во всех типах микротелец. Каталаза вместе с другими пероксисомальными белками формирует кристаллическое образование, нередко заполняющее почти все внутреннее пространство пероксисомы и хорошо различимое на электронных микрофотографиях.

Общую схему реакций для всех типов пероксисом (остальные реакции надстраиваются над этой цепочкой) можно представить следующим образом:

RH2 + O2 --> R + H2O2,

2H2O2 --> 2H2O + O2

Оксидаза, катализирующая первую из приведенных реакций, содержит ковалентно связанный флавин и может обладать широкой или более узкой специфичностью. Ее субстрат обозначен RH2. Образующийся пероксид водорода разлагается каталазой (вторая реакция).

Размер пероксисом составляет от 0,2 до 1,5 мкм. Они всегда отграничены одной мембраной и обычно имеют округлую или овальную форму, иногда встречаются микротельца с инвагинациями цитоплазмы. Все типы пероксисом морфологически неразличимы, имеют одинаковую плотность, что позволяет считать их разными специализациями одной органеллы.

К. де Дюв, открывший пероксисомы, пришел к заключению, что эти органеллы, являясь неэффективными в энергетическом отношении, представляют собой реликты того периода, когда митохондрии еще не возникли [2]. По сути, полагает К. де Дюв, пероксисома -- это органелла, выполняющая ту же функцию, что и митохондрия, -- функцию биологического окисления, только в ней окисление не сопряжено с генерацией НАДН и АТФ. В соответствии с данным представлением пероксисомы -- это первые энергетические органеллы примитивных эукариот, в дальнейшем после возникновения митохондрий они утрачивают свое значение. Однако эволюционный процесс нельзя свести только к приобретению механизмов более эффективного использования энергии, и значение пероксисом в организации метаболических путей растений велико не только у низших, но и у высших форм. У животных микротельца также играют существенную роль в метаболизме. Нам представляется, что именно пероксисомальный метаболизм сыграл существенную роль в возникновении новых путей биохимических превращений [3]. Для этого необходимы приобретение микро тельцами ферментных механизмов, осуществляющих метаболические пути, надстраивающиеся над системой переноса электронов с участием каталазы, а также специализация флавиновых оксидаз.

В большинстве незеленых тканей выявляются пероксисомы, названные неспециализированными. Эти микротельца содержат каталазу и ограниченную активность Н2О2-продуцирующих оксидаз. Видимо, они окисляют некоторые метаболиты (гликолат, мочевую кислоту), которые не могут быть окислены в митохондриях, а также регулируют содержание активных форм кислорода (пероксида водорода, супероксидного ради кала) в клетке.

Специализация пероксисом достигается посредством импорта в них специфических ферментныхсистем, которые обеспечивают протекание метаболических реакций, сопряженных с флавинзависимым окислением и разложением пероксида водорода каталазой [3].

Ферменты кодируются в ядре и синтезируются на рибосомах цитозоля, а затем транспортируются в пероксисомы за счет специфических сигнальных последовательностей, обеспечивающих узнавание мембраны пероксисомы и транспорт через нее ферментного белка. Эти сигнальные последовательности у большинства пероксисомальных ферментов находятся на С-концевом участке молекулы и не отщепляются во время транспорта, что отличает импорт белков в пероксисомы от импорта в другие органеллы.

В тканях, в которых происходит мобилизация жиров (в семядолях при прорастании, а также в пыльцевых трубках), выявляются глиоксисомы -- разновидность пероксисом, в которых происходят окисление жирных кислот и глиоксилатный цикл. Образующаяся в них янтарная кислота (сукцинат) направляется на биосинтез углеводов. Только наличие глиоксилатного цикла обусловливает возможность превращения жиров в углеводы.

В листьях растений присутствуют пероксисомы, метаболизирующие гликолат. Гликолат образуется в процессе фотодыхания, охарактеризованном В.И. Чиковым в [4]. При фотодыхании часть углерода, ассимилированного при фотосинтезе, выделяется в виде СО2, а часть возвращается в фотосинтетический цикл Кальвина.

В стареющих листьях фотодыхательные пероксисомы нагружаются ферментами глиоксилатного цикла и окисления жирных кислот, а также протеазами. Они участвуют в деградации мембранных липидов и белков отмирающих клеток. Такие органеллы были названы геронтосомами.

Уреидные пероксисомы, присутствующие в клубеньках бобовых, участвуют в процессе азотфиксации в бактероидах, окисляя продукты пуринового обмена клубенька: мочевую кислоту (урат) и ксантин. Ксантиноксидаза обнаружена у растений и в других типах пероксисом. Уреидные пероксисомы играют роль в интеграции метаболизма бактероида и растения-хозяина. Особые формы пероксисом (например, окисляющие метанол или щавелевую кислоту) имеются у грибов.

Окисление жирных кислот сопровождается образованием пероксида водорода, который разрушается каталазой. В этом состоит отличие пероксисомального окисления жирных кислот от митохондриального, в котором электроны переносятся в дыхательную цепь митохондрий, а пероксид в существенной концентрации не образуется. В растениях митохондриальное окисление жирных кислот, хотя и происходит, но его интенсивность низкая. Мобилизация запасных жиров наблюдается только в глиоксисомах.

В глиоксилатном цикле, также протекающем в глиоксисомах, образовавшийся при окислении жирных кислот двууглеродный остаток уксусной кислоты, связанный с коферментом А (ацетил-КоА), превращается в ходе пяти ферментативных реакций в четырех-углеродную молекулу янтарной кислоты (сукцината). Два фермента -- изоцитратлиаза и малатсинтаза -- функционируют только в глиоксилатном цикле. Три других -- цитратсинтаза, аконитаза и малатдегидрогеназа -- общие с митохондриальным циклом Кребса, хотя в глиоксилатном цикле они представлены другими молекулярными формами (изоферментами). Все ферменты глиоксилатного цикла (возможно, за исключением аконитазы, локализованной в цитозоле) присутствуют, вероятно, только в глиоксисомах высших растений. При протекании глиоксилатного цикла у водорослей и грибов в глиоксисомах выявляется только активность изоцитратлиазы и малатсинтазы, тогда как ферменты, общие с циклом Кребса, -- цитратсинтаза, аконитаза и малатдегидрогеназа -- в глиоксисомах этих организмов отсутствуют.

Глиоксилатный цикл является необходимым звеном превращения жиров в углеводы. Этот процесс имеет особое значение в быстрорастущих тканях: запасные липиды используются для синтеза углеводов, идущих на образование клеточной стенки и другие процессы. Однако этим роль глиоксилатного цикла не исчерпывается: в нашей лаборатории показано, что он обеспечивает образование органических кислот, подкисляющих эндосперм злаков, что тем самым делает возможным мобилизацию запасного крахмала, и участвует в синтезе аминокислот. Процессы, связанные с глиоксисомой, обеспечивают взаимодействие клеточных компартментов. Синтез КоА-производных жирных кислот, вероятно, протекает на поверхности олеосомы (жирозапасающей органеллы), окисление жирных кислот и глиоксилатный цикл -- в глиоксисоме, превращение сукцината в щавелевоуксусную кислоту (оксалоацетат) -- в митохондриях, дальнейшие стадии синтеза углеводов (обращенный гликолиз) -- в цитоплазме [5].

В нашей лаборатории было показано, что сукцинат может окисляться и непосредственно в глиоксисомах специфической ферментной системой, превращающей данное соединение непосредственно в малат и имеющей низкое сродство к сукцинату, то есть включающейся в тех условиях, когда имеет место его сверхпродукция. Эта ферментная система обнаружена в жирозапасающей ткани прорастающих семян злаков. В проростках двудольных растений она не выявлена: у них модифицируется цикл Кребса в митохондриях таким образом, что обеспечивает быстрое и независимое от других процессов превращение сукцината в оксалоацетат.

Гены, кодирующие ферменты глиоксилатного цикла, имеются, вероятно, у всех организмов, но экспрессируются не во всех тканях и не на всех стадиях онтогенеза. При старении листьев глиоксилатный цикл обеспечивает протекание биодеградативных процессов (например, окисление ацетил-КоА, образующегося в ходе деградации мембранных липидов). Образование пероксида водорода и супероксидных радикалов в ходе метаболизма пероксисом также играет важную роль в биодеградации. Считалось общепринятым, что у высших животных глиоксилатный цикл отсутствует. И только совсем недавно в нашей лаборатории было показано, что в условиях голодания ферменты глиоксилатного цикла по являются в печени (у крыс на третий день голодания), меньшая их активность выявляется и в других тканях. Это обеспечивает превращение запасных жиров в угле воды, поскольку иных источников углеводов в этих условиях организм не имеет.

Пероксисомы фотосинтезирующих тканей метаболизи-руют гликолевую кислоту (гликолат). Гликолат образуется из фосфогликолевой кислоты в хлоропластах и транспортируется в пероксисому. Метаболизм гликолата в фотосинтезирующих клетках составляет процесс фото дыхания, подробно рассмотренный В.И. Чиковым [4].

Классическая схема метаболизма гликолата включает согласованную работу хлоропласта, пероксисомы и митохондрии, и на электронных микрофотографиях нередко наблюдается ассоциация пероксисом с этими органеллами. Процесс фотодыхания связан с оксигеназной реакцией центрального фермента фотосинтеза -- рибулозобисфосфат-карбоксилазы (Рубиско), функция которого состоит в фиксации углекислого газа. Присоединение молекулы СО2 к субстрату данного фермента, рибулозо-1,5-бис-фосфату, -- первая реакция фотосинтетического цикла углерода (цикла Кальвина). Она приводит к образованию двух молекул фосфоглицериновой кислоты. Механизм фотосинтетической фиксации углерода описан В.В. Климовым [6, 7].

Фермент Рубиско помимо сродства к СО2 имеет и некоторое сродство к кислороду, в результате чего вместо двух молекул фосфоглицериновой кислоты образуются одна молекула фосфоглицериновой кислоты (идущая в цикл Кальвина) и одна молекула фосфогликолевой кислоты (с нее начинается фотодыхательный гликолатный цикл). В ходе реакций фотодыхательного метаболизма поглощается кислород и выделяется углекислый газ (в митохондриях при окислении глицина), и потому имеется аналогия с дыханием. Отсюда название "фотодыхание", так как процесс протекает на свету и связан с фотосинтетическим метаболизмом.

От фосфогликолевой кислоты в хлоропластах отщепляется фосфатная группа. Образующаяся гликолевая кислота транспортируется в пероксисому. В пероксисомах фотосинтезирующих тканей гликолат окисляется гликолатоксидазой (с образованием глиоксилата и пероксида водорода, разрушаемого каталазой). Глиоксилат затем аминируется с образованием глицина, что происходит посредством переноса аминогруппы глутамата или серина. Глицин транспортируется в мито хондрию. Здесь две молекулы глицина окисляются с образованием одной молекулы серина в реакции, катализируемой глициндекарбоксилазным комплексом. Содержание данного комплекса может составлять до трети и даже половины всех белков матрикса растительных митохондрий. Реакция сопровождается выделением аммония (который рефиксируется в хлоропласте), углекислого газа и восстановлением митохондриального НАД.

Образующийся серин возвращается в пероксисому, где вступает в реакцию трансаминирования. В этой ре акции образуется гидроксипируват, который восстанавливается гидроксипируватредуктазой с образованием глицериновой кислоты. Последняя транспортируется из пероксисомы в хлоропласт, где превращается в фосфоглицериновую кислоту, возвращающуюся в цикл Кальвина. Таким образом, из двух молекул двууглеродной гликолевой кислоты один атом углерода выделяется в виде СО2, а три возвращаются в цикл Кальвина в форме фосфоглицериновой кислоты.

Помимо классической схемы метаболизма гликолата в пероксисомах возможны альтернативные пути его превращений, что было показано в нашей лаборатории.

Зачастую фотодыхание рассматривается как вредный процесс, снижающий продуктивность растений. Действительно, в этом процессе теряется часть фото-синтетически ассимилированного углерода и запасенной энергии. Значимость этого процесса возросла в ходе эволюции именно благодаря фотосинтетической деятельности организмов, приведшей к увеличению содержания кислорода в атмосфере и снижению содержания углекислого газа. В процессе эволюции наблюдалось некоторое увеличение специфичности фермента Рубиско к углекислому газу, но оксигеназная реакция тем не менее сохранилась. Предполагалось, что это обусловлено структурными свойствами данного фермента и пространственным сходством молекул кислорода и углекислого газа. Совсем недавно, однако, у термофильных красных водорослей был обнаружен фермент Рубиско с чрезвычайно высоким сродством к углекислому газу и очень низкой оксигеназной реакцией. Попытки экспрессировать ген Рубиско из красных водорослей в высших растениях с целью ограничения фотодыхания и, следовательно, повышения фотосинтетической продуктивности пока результата не дали, как и многие другие попытки решения проблемы увеличения продуктивности на уровне хлоропласта.

Фотодыхание не может рассматриваться как бесполезный и даже вредный процесс -- оно приобрело определенное физиологическое значение в целостной системе растительного организма. Фотодыхание предотвращает накопление токсичных промежуточных продуктов (фосфогликолат, глиоксилат), обеспечивает синтез аминокислот и других важных соединений. Оно регулирует окислительно-восстановительное равновесие в клетке, когда мощности цикла Кальвина недостаточно, чтобы использовать все количество НАДФН и АТФ, образовавшееся в световую фазу фотосинтеза. Рассеивание энергии при фотодыхании при этом предотвращает гипервосстановление хлоропласта, ведущее к фотоингибированию фотосинтеза.

Водоросли могут снижать уровень фотодыхания за счет концентрирующего механизма, связанного с активностью фермента карбоангидразы, взаимопревращающего газообразный углекислый газ и бикарбонат-анион. Некоторые эволюционно продвинутые высшие растения (С4-растения) имеют другой механизм концентрирования, связанный с особым типом морфологии (разделение обкладки проводящих пучков и мезофилла листа) и первичной фиксацией углекислого газа другим ферментом (фосфоенолпируваткарбоксилазой), что было показано одновременно в лабораториях М. Хет-ча и Р. Слэка в Австралии и Ю.С. Карпилова в СССР. В С4-растениях первичным продуктом фотосинтеза является не фосфоглицериновая кислота, как в С3-расте-ниях, а щавелевоуксусная кислота. Последняя восстанавливается с образованием яблочной кислоты, которая транспортируется в клетки обкладки и там декарбокси-лируется, обеспечивая приток СО2 к ферменту Рубиско. У некоторых С4-растений транспорт углерода из мезофилла в обкладку осуществляется с участием процесса аминирования, то есть переносится аспарагиновая кислота, которая затем после дезаминирования и восстановления превращается в яблочную.

Несмотря на ограничение фотодыхания у С4-расте-ний, обусловленное концентрированием СО2 в клетках обкладки, многие растения С3-типа (с первичной фиксацией углекислоты с участием Рубиско) с высоким фотодыханием успешно конкурируют с С4-растениями и имеют высокую продуктивность. Очевидно, роль фотодыхания в регуляции окислительно-восстановительного баланса клетки весьма велика. Не случайно С4-растения приобрели специальные механизмы образования гликолевой кислоты, не связанные с оксигеназной реакцией Рубиско, на что впервые указал Ю.С. Карпилов. Активность ферментов гликолатного метаболизма в пероксисомах клеток обкладки у них довольно высокая.

Пероксисомы, обладая метаболическими системами образования и разложения пероксида водорода, генерации и гашения супероксидного радикала, образования и утилизации глиоксилата, могут регулировать интенсивность некоторых клеточных процессов, включающих участие этих реакционноспособных компонентов. Уровень пероксида водорода (H2O2) определяет интенсивность морфогенетических и других процессов. Пероксисома, таким образом, служит регулятором пероксидзависимых процессов в клетке. В пероксисомах обнаружены ферменты аскорбатпероксидаза (окисляющая аскорбиновую кислоту с участием пероксида водорода) и глутатионредуктаза (восстанавливающая пептид глутатион). Эти ферменты играют важную роль в аскорбат-глутатионовом цикле, регулирующем окислительно-восстановительное равновесие.

Супероксидный радикал, как и пероксид водорода, является активной (восстановленной) формой кислорода. Он генерируется в пероксисомах в ксантиноксидазной реакции, а также при окислении НАДН и НАДФН на пероксисомальной мембране. Его гашение осуществляется ферментом супероксиддисмутазой, также присутствующим в пероксисомах. В супероксиддисмутазной реакции образуется пероксид водорода, далее разрушаемый каталазой. Регулируя содержание пероксида водорода и супероксидного радикала, пероксисомальный метаболизм может контролировать скорость биодеградативых процессов. Роль восстановленных форм кислорода в метаболизме растений весьма велика, и необходимы системы защиты от их избытка, что и обеспечивается, в частности, организацией пероксисо-мального метаболизма (данные соединения, а также реакционноспособный глиоксилат оказываются компартментированы, то есть отделены от других процессов). Таким образом, с пероксисомами связано важней шее звено кислородного метаболизма клетки (подробно о роли кислорода в живых организмах см. в статье В.П. Скулачева [8]).

Образование активных форм кислорода играет важную роль в процессах биодеградации, например при отмирании тканей (клеточная смерть -- апоптоз). Роль митохондрий в апоптозе в настоящее время интенсивно изучается, однако пероксисомам принадлежит, очевидно, не менее важная роль в этом процессе. Иммунитет растений в значительной мере связан с пероксисомами. Проникновение патогенного микроорганизма приводит к увеличению пероксисомального компартмента. Чужеродный организм атакуется пероксидом водорода, супероксидными радикалами и другими активными формами кислорода. При этом неизбежно происходит и деградация отдельных клеток растения-хозяина, но проникновение патогена приостанавливается. Другой активный радикал -- оксид азота (NO), участвующий в обеспечении устойчивости к патогенам и в биодеградативных процессах, также образуется в пероксисомах. В них выявлена активность фермента синтазы оксида азота.

В формировании новых биохимических путей в ходе эволюции кислород играл важную роль, обусловливая окисление субстратов, которые в результате этого могли вступать в дальнейшие пути превращений. Образование глиоксилата в пероксисомах листьев -- один из таких процессов. Окисление многих веществ, в том числе ксенобиотиков, связано преимущественно с действием монооксигеназных систем, и пероксисомальные мембраны наряду с мембранами эндоплазматической сети участвуют в этих процессах. Эти окисления обычно не связаны с запасанием энергии, но нередко приводят к ускорению некоторых стадий жизнедеятельности. Таким образом, пероксисомальное окисление, и в частности активные формы кислорода, генерируемые и утилизируемые микротельцами, играет ключевую роль в метаболизме растительной клетки. Пероксисомы находятся на перекрестках метаболических путей, замыкая биохимические циклы, функционирующие между компартментами. Осуществляя реакции, сопровождающиеся снижением свободной энергии, пероксисомы связывают окислительный метаболизм с конструктивным и генерируют пути синтеза разнообразных соединений. Специализация микротелец определяется переносом в них ферментных систем, на более ранних этапах эволюции функционировавших только в других клеточных компартментах, благодаря чему эти органеллы осуществляют разнообразные функции в разных органах и на различных стадиях онтогенеза. У растений основными функциями пероксисом являются осуществление процесса фотодыхания в фотосинтезирующих тканях, мобилизация запасных жиров в прорастающих семенах, окисление пуринов в клубеньках бобовых. Пероксисомы регулируют окислительно-восстановительное равновесие и концентрацию активных форм кислорода в клетке.

Литература

1. Фридрих П. Ферменты: Четвертичная структура и надмолекулярные комплексы. М.: Мир, 1986. 374 с.

2.Дюв К. де. Путешествие в мир живой клетки. М.: Мир, 1987. 225 с.

3.ИгамбердиевА.У. Микротельца в метаболизме растений. Воронеж: Изд-во ВГУ, 1990. 148 с.

4.Чиков В.И. Фотодыхание // Соросовский Образовательный Журнал. 1996. № 11. C. 2--8.

ЗемлянухинА.А., ЗемлянухинЛ.А., ЕпринцевА.Т., Игамбердиев А.У. Глиоксилатный цикл растений. Воронеж: Изд-во ВГУ, 1986. 148 с.

6.Климов В.В. Фотосинтез и биосфера // Соросовский Образовательный Журнал. 1996. № 8. C. 6--13.

7.Климов В.В. Углекислота как субстрат и кофактор фотосинтеза // Там же. 1998. № 4. С. 4--11.

Скулачев В.П. Кислород в живой клетке: Добро и зло // Там же. 1996. № 3. C. 4--11.

раз лизосома пероксисома метаболизм цитоплазма

мещено на Allbest.ru