История открытия и химическая природа АБК

- В 1949 г.Хемберг получил эфирный экстракт из покоящихся почек ясеня, вызывающий торможение роста колеоптелей овса.

- В 1961 была выделена абсцизовая кислота одновременно и независимо Ф. Уорингом из листьев березы и явора и Ф. Эддикотом, Б. Милборроу и К. Окумой из молодых коробочек хлопчатника. Они установили, что это вещество вызывает опадение листьев и назвали его абсцизином (от abscission – отнятие, ампутация). В 1963 г. Дж. Корнфордом и К. Окумой была установлена ее формула – С₁₅Н₂₀О_4.

- В 1965 г Окумой и др. была предложена молекулярная структура абсцизина, а несколькими месяцами позже Корнофт с коллегами подтвердил ее с помощью химического синтеза.

- В 1967 группы Эддикота, Уоринга и Корнфорта на совместном заседании назвали открытый гормон абсцизовая кислота (АБК).

Абсцизовая кислота относится к ряду сесквитерпенов – непредельных соединений. Чистая абсцизовая кислота представляет собой кристаллическое вещество с молекулярной массой 264,31. Она хорошо растворяется в щелочах, хлороформе, ацетоне, этиловом спирте и эфире, плохо – в воде, бензоле и петролейном эфире.

2. Место синтеза и локализация АБК. У низших растений (водорослей и печеночных мхов) абсцизовая кислота не обнаружена. В небольших количествах она найдена у листостебельных мхов и папоротникообразных. Она содержится у всех исследованных видов голосеменных и покрытосеменных растений, причем у высших растений присутствует во всех органах. Особенно богаты ею старые листья, плоды, покоящиеся почки и семена, гораздо меньше ее в молодых проростках и листьях. В зеленых частях растения большая часть (80%) АБК находится в хлоропластах. В растении одновременно присутствует несколько свободных и связанных форм АБК.

В растении АБК синтезируется из мевалоновой кислоты. Возможно также образование АБК из продуктов распада ксантофилла, виолоксантина под действием света или фермента липоксигеназы. Это, по-видимому, объясняет резкое увеличение данного фитогормона при стрессе. АБК может образовываться в различных органах. На это косвенно указывает то обстоятельство, что она может перемещаться в различных направлениях – акропетально и базипетально. Интенсивность ее образования увеличивается по мере старения, а также при неблагоприятных воздействиях, особенно при недостатке влаги. По мере созревания зародыш семени сам приобретает способность синтезировать АБК, регулируя, таким образом процесс собственного покоя и устойчивости.

Синтез АБК имеет четкую фоторитмичность, возрастая в 50-60 раз ночью в сравнении с днем. На уровень АБК стимулирующе действует снижение температуры и уменьшение в составе света синих и ультрофиолетовых квантов.

Скорость передвижения АБК довольно высокая. Аттрагирующими центрами для АБК являются активно делящиеся меристемы. Метаболизм АБК может осуществляться через образование конъюгата с сахарами (гликозидирование). Этот процесс может быть обратимым и необратимым.

3. Система трансдукции АБК. Система трансдукции АБК-сигнала включает следующие звенья:

1) рецепторы. К настоящему времени выявлены три белка, обладающими рецепторными функциями для АБК: 1)FCA (flowering time contol protein A) – ядерный РНК-связывающий рецептор; 2) ABAR/CHLH (putative abcisic acid receptor) – рецептор, локализованный в пластидах; 3) GCR2 (G-protein-coupled receptor 2) – рецептор, локализованный в плазмалемме.

2) транспортные мембранные белки (ионные каналы и транспортные АТФазы),

3) вторичные посредники (ионы Са²⁺, инозитол-1,4,5-трисфосфат, циклическая АДФ-рибоза, фосфотидная кислота),

4) белки, которые осуществляют фосфорилирование (дефосфорилирование),

5) транскрипционные факторы,

6) АБК-регулируемые гены.

В геноме арабидопсиса было выявлено более 800 генов, экспрессия которых повышается под действием АБК. Из них около 100 генов кодируют транскрипционные факторы и 60 генов кодируют киназы, которые в свою очередь принимают участие в трансдукции АБК-сигнала. Характерной чертой генов, регулируемых АБК, является наличие в промоторной области нуклеотидной последовательности, называемой ABRC – АБК-регулируемым комплексом. Эта последовательность является мишенью соответствующих факторов транскрипции, образующихся в ответ на АБК.

Сложность в расшифровке механизма трансдукции АБК-сигнала связаны с тем, что его передача происходит не линейным путем, а осуществляется через очень сложную сигнальную сеть. Взаимосвязи между различными сигнальными путями могут осуществляться как минимум в двух направлениях: 1) один сигнальный путь влияет на уровень сигнального элемента в другом сигнальном пути; 2) различные сигнальные пути сходятся в каком-то общем узловом сигнальном компоненте, который является связующим звеном нескольких сигнальных путей. Одними из таких узловых компонентов, на которых сходятся различные сигнальные пути, могут быть промоторы генов, в том числе и АБК-регулируемых.

4. Физиологическое действие. 1) Абсцизовая кислота и ее аналоги регулируют переход растений в состояние покоя и нахождение их в этом состоянии. Предполагают, что годовой цикл роста и покоя определяется соотношением стимуляторов роста (гиббереллинов) и ингибиторов (абсцизовой кислоты). При переходе растений в состояние покоя содержание абсцизинов в них резко увеличивается (в 10 раз). Снижение их уровня совпадает с выходом из состояния покоя.

2)Абсцизовая кислота является сильным ингибитором прорастания семян, в которых она накапливается во время их созревания. У многих растений очень высоко содержание АБК и в тканях, окружающих семена.

3) Абсцизовая кислота вызывает опадение листьев, хотя роль ее в этом процессе не совсем ясна. В листьях АБК ускоряет распад хлорофилла, белков

и нуклеиновых кислот.

4)АБК стимулирует развитие партенокарпических плодов у розы, образования клубней картофеля, удлинения гипокотиля огурца, образование корней у черенков фасоли, изменяет состав запасных белков зерновых культур.

5) Одной из функций АБК является ее участие в явлениях восприятия силы тяжести кончиком корня. При изучении геотропизма корня было показано, что удаление половинки корневого чехлика у корней кукурузы приводит к появлению изгибов, направленных в сторону оставшейся половинки чехлика. Это указывает на то, что в чехлике вырабатывается вещество, задерживающее рост корня. Удаление корневого чехлика лишает корень геотропической чувствительности.

6) Абсцизовая кислота относится к группе стрессовых гормонов. Содержание абсцизовой кислоты быстро и значительно возрастает, когда растение подвергается действию неблагоприятных экстремальных факторов (низкая температура, обезвоживание, затопление, минеральное голодание). Особенно хорошо изучено изменение ее количества при засухе. Синтез АБК начинается задолго до видимого обезвоживания растения и зависит от продолжительности и степени водного дефицита. Устранение водного дефицита вновь приводит к уменьшению содержания абсцизовой кислоты, но этот процесс идет гораздо медленнее. Такие изменения уровня АБК при засухе имеют приспособительное значение, так как способствуют

закрытию устьиц и уменьшению транспирации.

Другой вид стресса – анаробиоз, создаваемый затоплением корней растений, вызывает сходные с действием засухи изменения гормонального баланса. При затоплении содержание АБК возрастает, но медленнее и в меньшей степени, чем при засухе. Однако быстро и сильно увеличивается содержание этилена в тканях и снижается уровни гиббереллинов и цитокининов.

Увеличение концентрации АБК в тканях растений резко изменяет экспрессию генетических программ в клетках: подавляет синтез м-РНК и соответствующих им белков, характерных для нормальных условий, и индуцирует работу генов и, следовательно, синтез специфических белков, называемых белками ответа на АБК.

Лекция 6 Этилен, физиологическое действие

1. История открытие этилена, его химическая природа

2. Место синтеза и метаболизм этилена

3. Механизм действия этилена

4. Физиологическое действие этилена

1. История открытия и его химическая природа. Этилен был открыт в 1901 году в Санкт-Петербургском университете Д.Н. Нелюбовым. Он показал, что светильный газ (в который входит этилен) оказывает тройное действие на проростки гороха: подавляет рост стебля, вызывает его утолщение и изменяя ориентацию стебля в пространстве.

В 1910 г Козинс установил, что летучее вещество, выделяемое спелыми апельсинами, ускоряет созревание бананов, которые хранятся вместе с ними.

В 1924 г. Денни показал, что преждевременного созревания апельсинов, бананов и др. плодов можно добиться обработкой этиленом.

В 1934 г. Гэн с коллегами идентифицировали этилен химически как нормальный продукт метаболизма растений (он содержался в газообразных продуктах метаболизма яблок). Исходя из физиологических эффектов, впервые назвали этилен гормоном.

В 164 г Либерман и Мепсон показали, что различные ткани растений способны превращать С-метионин в С-этилен.

В 1979 г. Адамс и Янг показали, что превращение метионина в этилен осуществляется через синтез 1-аминоциклопропан-1карбоновой кислоты (АЦК), которая является непосредственным предшественником этилена и образуется из S-аденозилметионина.

Фитогормон этилен представлен одним индивидуальным веществом. Этилен – ненасыщенный углеводород, имеющий формулу CH₂=CH₂ и молекулярную массу 28,05. В обычных температурных условиях это бесцветный газ со слабым запахом. Молекула обладает ярко выраженной липофильностью, очень хорошо растворяется в серном эфире, хуже – в спирте и очень слабо – в воде. Этилен – единственный газообразный регулятор роста, который имеет основные признаки фитогормона: в низких концентрациях он стимулирует физиологические процессы; содержание его в тканях растения регулируется скоростью синтеза, при этом избыток газа свободно диффундирует в среду.

2. Место синтеза и метаболизм этилена. Этилен синтезируется многими бактериями, некоторыми грибами, высшими растениями. Скорость его образования в растениях зависит от фазы развития и неодинакова в разных органах. Наибольшее содержание этилена отмечено в покоящихся почках; его количество возрастает также при старении и опадении листьев и при созревании плодов. Процесс синтеза зависит от температуры (Q10 в пределах 10-25’C составляет 2,8), однако значительное повышение температуры (выше 30‘C) приводит к замедлению синтеза. Его образование у многих растений стимулируется светом и тормозится недостатком кислорода.

Первым из механизмов образования этилена у грибов был изучен механизм дегидратации этанола. В 50-ых гг 20 в. появились данные о том, что выделение этилена у грибов в значительной степени активируется, если субстратами служат манит, манноза, ксилоза и др.сахара. Было сделано предположение, что образование этилена у грибов связано с гликолизом. В последние годы показано, что у пеницилла синтез этилена связан с деятельностью цикла Кребса.

У высших растений этилен синтезируется из метионина. Ближайший предшественник этилена – 1-аминоциклопропан-1-карбоновая кислота (АЦК). Предполагается, что АЦК может служить также транспортной формой этилена, перемещающейся по растению с транспирационным током. Образование АЦК контролируется ферментом АЦК-синтетазой, активность которого существенно повышает ауксин. Известны и ингибиторы этого фермента: аминооксиуксусная кислота и аминоэтоксивинглицин. Образование этилена и АЦК подавляется также ионами Са, этилендиаминтетраацетатом и светом.

Схема образования этилена

Метионин – S-аденозинметионин – м етилтиоаденозин – метилтиорибоза – 1-аминоциклопропан-1-карбоновая кислота – этилен.

Дезактивация этилена, кроме выделения его в окружающую среду, происходит путем образования окиси этилена. Установлено, что максимальная активность этилена совпадает по времени с его максимальным окислением, а искусственное прекращение этилена прекращает действие этого фитогормона. Т.о., окисление этилена связано с реализацией его фитогормональной активности.

Способностью к биосинтезу этилена обладают практически все живые клетки растения. В онтогенезе характер образования этого фитогормона резко изменяется. У ювенильного растения этилен синтезируется главным обр. в меристематических тканях. В дальнейшем наибольшее количество этилена образуют созревающие плоды. Биосинтез этилена также резко усиливается при травмах или стрессовых воздействиях на растение.

3. Механизм действия этилена. У арабидопсиса рецепторы этилена представлены 5 белками: ETR1. ETR2. EIN4. ERS1. ERS2. Рецептор этилена функционирует как гомодимер, состоящий из трансмембранных белков, соединенных дисульфидными связями, каждый мономер включает: 1) сенсорный элемент – гистидинкиназу, которая способна к автофосфорилированию по остатку гистидина; 2) регуляторный элемент, содержащий остаток аспаргиновой кислоты, на которую переносится фосфатная группа.

Этилен связывается с рецептором, локализованным в плазмалемме, с участием ионов меди в качестве кофактора. Местом связывания гормона являетcя N-терминальный участок, который содержит 3 пересекающих плазмалемму гидрофобных домена и ионы Меди.

Семейство этиленовых рецепторов имеет перекрывающиеся функции. Повреждение одного или двух генов, кодирующих синтез рецепторов, вызывает незначительный эффект, Если же инактивируются три или четыре рецептора, дефекты в способности клеток отвечать на этилен становятся очень заметными. В отсутствии этилена его рецепторы подавляют процессы, контролируемые гормоном.

Ключевым элементом в системе рецепции и трансдукции этиленового сигнала является белок CTR1, который функционирует как репрессор передачи этиленового сигнала. Субстратом для CTR1-киназы является MAPKK. В отсутствие этилена его рецепторы проявляют функции гистидинкиназ и активируют CTR1. Активация CTR1 (в отсутствии этилена) вызывает ингибирование MAPKK и блокирует передачу гормонального сигнала.

При связывании с этиленом происходит инактивация рецептора и белок CTR1 приходит в неактивное состояние. При этом активируется трансмембранный белок EIN2, который может работать как мембранная пора или канал.

4. Физиологическое действие этилена множественно: он принимает участие в процессах роста и морфогенеза многих растений:

- вызывает задержку деления клеток в меристемах корня, побега и пазушных почек, что связано с блокированием синтеза дезоксирибонуклеиновой кислоты в делящихся клетках.

- Этилен подавляет удлинение проростков и рост листьев вследствие изменения направления роста с продольного на боковой. Однако, на рост растений этилен действует по-разному. У большинства растений он тормозит вегетативный рост, подавляя процессы деления и растяжения клеток. Но у проростков риса, повышение его концентрации приводит к активации роста.

- ускоряет наступление периода покоя и стимулирует переход растений в глубокий покой;

- подавляет прорастание семян и способствует продлению у них периода покоя;

- регулирует созревание плодов. На этом основан прием их дозревания. Выделение этилена различными органами растения значительно возрастает при действии различных неблагоприятных факторов (температуры, недостатка воды, болезни, механических повреждениях, различных химических агентов). Очень важно в регуляции роста подавление этиленом транспорта ауксинов, что приводит к заметному снижению их содержания в некоторых тканях и органах. С этим связаны многие процессы: старение и опадение органов (листьев, цветков, плодов), устранение явления апикального доминирования.

- Этилен оказывает влияние на цветение многих растений, убыстряя или замедляя появление цветков. У представителей различных семейств он вызывает превращение пола, ускоряя образование женских цветков и увеличивая их количество. На этом свойстве основан старый прием

окуривания огурцов в теплицах дымом.

- этилен принимает участие в ответе растений на различные патогенны грибного, бактериального и вирусного происхождения. Растение воспринимает сигнал патогена и включает в ответ синтез этилена, а тот в свою очередь запускает сложную программы химической защиты растений, в которую, в частности, входит синтез фитоалексинов, играющих роль растительного противоядия против паразитов. Кроме того, этилен активирует ферменты, которые способны разрушать клеточную стенку грибов.

Дата добавления: 2014-01-20