СТРУКТУРА И СВОЙСТВА БИОМОЛЕКУЛ - А. Е. Земляков - 2017
08. БИОРЕГУЛЯТОРЫ: ФИТОГОРМОНЫ
Ряд низкомолекулярных вторичных метаболитов играют важную регуляторную функцию в жизнедеятельности растений. Среди таких эндогенных биорегуляторов выделяют группу фитогормонов, которые отличаются общим действием на все растения и малыми действующими концентрациями (до 10-11 М). Продуцируют фитогормоны клетки растущих органов - кончики корней, молодые листья и побеги. Далее эти вещества транспортируются в другие органы растения, где запускают различные биохимические процессы. Ростовые реакции растения обычно регулируются несколькими фитогормонами: одни вещества играют роль стимулятора, а другие - ингибитора. Например, при совместном действии с индолилуксусной кислотой гиббереллина и абсцизовой кислоты в одних случаях выступают или как антагонисты, или как синергисты.
К основным группам фитогормонов относят ауксины, гиббереллины, цитокинины, абсцизовую кислоту и этилен. Последнее время к ним добавляют брассинолиды, жасмоновую и фазеиновую кислоты.
❖ Ауксины (от греч. - выращиваю, увеличиваю) - стимуляторы роста растений. Впервые описаны датским ученым Ф. Вентом в 1926 г. В 1937 г. англо-американский биолог К. Тиманн установил строение первого представителя ауксинов - индолилуксусной кислоты (гетероауксина). Это соединение стимулирует биосинтез всех форм РНК и белка, клеточное деление, увеличивает растяжение клеточных оболочек, рост и развитие корневой системы. Для биологического действия гетероауксина характерна концентрационная зависимость: малые концентрации (10-4 - 10-12 М) оказывают стимулирующее действие, а высокие (10-2 - 10-3 М) - угнетают рост.
Наряду с растениями ауксины продуцируются также многими бактериями и грибами. В растениях содержание гетероауксина варьирует от 1 до 1000 мг на 1 кг сырой массы. Ауксины находятся как в свободном виде, или высвобождаются при гидролизе неактивных производных с аминокислотами (например, β-аспарагиновая кислота) и сахарами (например, D-глюкоза).
Биосинтетически индолилуксусная кислота получается из триптофана. Ее предшественниками являются индолилпировиноградная кислота, индолилацетонитрил, индолилацетамид и др. соединения. Они также были выделены из растений и, естественно, обладают свойствами ауксина.
Наряду с индолилуксусной кислотой в ряде растений функцию ауксина выполняет уступающая ей по активности фенилуксусная кислота, а также 4- хлориндолилуксусная кислота и индолилмасляная кислота.
В сельском хозяйстве в качестве стимуляторов роста растений применяют индолилуксусную, индолилмасляную, фенилуксусную и 1- нафталинуксусную кислоты.
Аналогами этих соединений являются арилоксиалкилкарбоновые кислоты, используемые в сельском хозяйстве в качестве гербицидов - средств для борьбы с сорняками. Обработка полей такими соединениями вызывает ускоренный рост сорняков и последующую их гибель от недостатка влаги и питательных веществ. Наиболее известные препараты этого типа - 2,4- дихлорфеноксиуксусная (техническое обозначение 2,4-Д) и 2-метил-4- хлорфеноксиуксусная (2М-4Х) кислоты, а также соответствующие производные масляной кислоты (2,4-ДМ и 2М-4Х М).
В 50-70-е годы 20 века в качестве дефолианта - вещества, вызывающего сбрасывание листьев, широко использовалась 2,4,5- трихлорфеноксиуксусная кислота (2,4,5-Т). Применяемая в то время схема синтеза этого препарата приводила к образованию в качестве побочного продукта диоксина, чрезвычайно токсичного и очень устойчивого к биодеградации соединения.
Массовое использование дефолиантов во время войны во Вьетнаме привело к массовому поражению населения и длительному заражению больших территорий.
❖ Гиббереллины - группа фитогормонов, синтезируемых в корнях, почках, развивающихся семенах. Первоначально были обнаружены в грибах GibbereIIa fujikuroi, которые поражали рис, вызывая его интенсивный рост («баканэ» или «бешеный рис»). Они вызывают общий рост растения, увеличивают размеры плодов, способствуют прорастанию семян многих видов растений. Органы и ткани растений обычно содержат несколько гиббереллинов. Их содержание изменяется от 0,01 до 1,4 мг на 1 кг сырой массы. Наиболее высоко содержание гиббереллинов в незрелых семенах.
Гиббереллины были открыты Еичи Курасавой в 1928 г. Впервые в виде смеси их получил в 1930 г. Теийиро Ябута. Первый индивидуальный гиббереллин GА1 выделил Джек МакМиллан в 1958 г.
С помощью гиббереллинов стимулируют образование бескосточкового винограда, идущего на изготовление изюма. Наиболее эффективно прямое нанесение этих соединений на листья или почки.
В отличие от ауксинов высокие концентрации гиббереллинов не вызывают угнетение роста. Считается, что фитогормоны этого класса блокируют ферменты, разрушающие ауксины, а также усиливают биосинтез индолилуксусной кислоты и способствуют ее освобождению из связанных форм. Кроме того, они активируют биосинтез нуклеиновых кислот и белков. Биологический эффект для экзогенного гиббереллина наблюдается в дозах около 10-10 г.
К настоящему времени выделено более сотни различных гиббереллинов, обозначаемых буквами GА с цифровым индексом. Структуры некоторых из них представлены ниже.
С точки зрения химического строения представляют собой карбоновые кислоты на основе тетрациклических дитерпеноидов. Различают две группы гиббереллинов: С20-гиббереллины (например, GА12 и GА28) и нор-С20- или
С19-гиббереллины (например, GА1, GА3, GА7, GА10). Гормональная активность присуща соединениям второй группы.
✵ Ингибиторы биосинтеза гиббереллинов. Ряд химических соединений, блокирующих продукцию гиббереллинов, применяются в качестве гербицидов, а также ретардантов - веществ, обеспечивающих образование коротких стеблей и тем самым препятствующих полеганию злаковых. Они также используются для предотвращения появления новых листьев у табака и прорастания картофеля. К таким ингибиторам, в частности, относятся циклический гидразид малеиновой кислоты и хлорхолинхлорид.
❖ Цитокинины - соединения, стимулирующие клеточное деление (цитокинез). Эффект действия цитокининов открыл в 1940 г. американский физиолог растений шведского происхождения Фольк Скуг.
Эти биорегуляторы ускоряют прорастание семян, стимулируют рост листьев, плодов, участвуют в образовании корней и стеблей, дифференциации новых органов. Цитокинины способствуют продлению жизни срезанных листьев - пожелтевшие листья, при нанесении на них этих веществ, зеленеют. Действующие концентрации составляют от 10-5 до 10-9М. Максимальное содержание цитокининов наблюдается в окончаниях корешков (особенно много у азотфиксирующих растений), прорастающих семенах, созревающих плодах, меньше в корнях, стеблях и листьях. Например, из 70 кг семян кукурузы (молочной спелости) получают 1 г зеатина. С началом вегетации резко возрастает транспорт цитокининов из корней в другие органы растений.
Примерами растительных цитокининов могут послужить близкие по строению пуриновые производные зеатин и изопентениладенин. Они образуются в корнях при распаде тРНК, а также путем биосинтеза из аденозинфосфатов и изопентенилпирофосфата; при дальнейшем ферментативном окислении и гидролизе.
Нуклеозидные производные цитокининов, например, зеатинрибозид, выступают в качестве транспортных форм. Цитокинины могут существовать в виде неактивных запасных форм - конъюгатов с глюкозой, аланином и некоторыми белками.
Высокой стимулирующей активностью обладает синтетический аналог зеатина - бензиламинопурин.
❖ Абсцизовая кислота и ее аналоги, например, биологический предшественник ксантоксин, являются эндогенными ингибиторами биохимических процессов в растениях. Вызывают опадание листьев, плодов, способствуют переходу растений к зимнему периоду. Абсцизовая кислота также способствует закрытию устьиц на листьях растений, что позволяет им легче переносить засуху. Содержание ее в растениях очень мало ~10-5 - 10-9 мг/л.
Синтез абсцизовой кислоты происходит в основном в листьях, плодах, окончаниях корней.
Открыта абсцизовая кислота была в 1963 г. независимо друг от друга двумя группами физиологов растений под руководством Ф. Эддикотта (США) и Ф. Уоринга (Великобритания).
❖ Этилен и его продуценты. Еще в 1901 г. профессор Дмитрий Нелюбов продемонстрировал физиологическое действие этилена на рост гороха. В 1934 г. британский исследователь Ричард Гейн показал, что этилен образуется в растениях и ускоряет их созревание. Воздействия на растения наблюдаются при концентрации этого газа 10-4-10-6%. Таким образом, этилен проявляет свойства фитогормона. Он способствует дозреванию плодов, тормозит рост стеблей и корней, ускоряет опадание листьев. Выдерживание плодов в атмосфере этилена обеспечивает их дозревание.
В растениях этилен образуется в основном путем последовательного элиминирования S-аденозилметионина и окислительного расщепления 1-аминоциклопропановой кислоты. Рострегулирующие свойства этилена обусловили использование в качестве гербицидов соединений - продуцентов этилена: 1-аминоциклопропановой кислоты и 2-хлорэтилфосфоновой кислоты (этрела).
В растениях обнаружено несколько типов рецепторов на этилен: ETR1, ETR2, ERS, EIN4. Эти трансмембранные рецепторы представляют собой димеры, соединенные дисульфидными мостиками. Механизм их работы во многом аналогичен инсулиновым рецепторам.
В отсутствии этилена Ser/Thr-киназа CTR-1 ингибирует МАРК-каскад биохимических реакций. Взаимодействие этилена с рецептором приводит к блокированию CTR-1-киназы и запуску МАРК-каскада. В результате в ядре последовательно синтезируются факторы, инициирующие транскрипцию, и вырабатываются специфические белки.
❖ Брассиностероиды. В 1979 г. из пыльцы рапса был выделен первый стероидный экзогенный растительный гормон брассинолид. Позднее это соединение и ряд его аналогов был найден в пыльце и семенах других растений.
К настоящему времени из различных растительных источников выделено более 70 брассиностероидов. Наряду с веществами, содержащими лактонный цикл, встречаются кетонные и дезоксипроизводные, например, кастастерон и 6-дезоксикастастерон.
Содержание брассинолидов в растениях очень мало, например, из 40 кг пыльцы было выделено 4 мг чистого брассинолида.
Эти соединения в малых концентрациях (~10-10 М) стимулируют деление клеток, их рост, а, следовательно, и вытягивание самих растений. Растению достаточно ~10-7 г брассиостероидов, чтобы увеличить рост вдвое.
Под действием этих фитогормонов увеличивается продуктивность растения, сокращается период вегетативного роста, обеспечивается защита от стрессов - засухи, засоленности почвы, слишком высокой или низкой температуры, недостаточного питания.
❖ Жасмоновая кислота обнаружена практически во всех органах более чем в 200 родов растений. В концентрациях 10-4 - 10-6 М тормозит рост растений и прорастание семян, вызывает процессы старения листьев и плодов. С другой стороны, стимулирует рост корней. Оказывает защитное действие от воздействия фитопатогенов или ультрафиолета на растения, в том числе, стимулируя синтез ряда защитных ферментов. В свою очередь этилен стимулирует продукцию жасмоновой кислоты.
Аналогичные биологические эффекты присущи и метиловому эфиру жасмоновой кислоты. В этерифицированном виде кислота присутствует во многих растениях, включая жасмин, в эфирном масле которого она была впервые обнаружена.
❖ Фазеиновая кислота - регулирует закрывание устьиц, например, у винограда.
Контрольные задания
Тест 3 (вариант)
1. Выберите структуру, соответствующую тиролиберину.
А. Tyr-Gly-Gly-Phe-Met; Б. pyro-Glu-His-Pro-NH; В. Tyr-Pro-Trp-Phe-NH2; Г. Tyr-Arg; Д. Tyr-Gly-Gly-Phe-Leu; Е. Arg-Pro-Pro-Gly-Phe-Ser-Pro-Phe-Arg; Ж. Asp-Arg-Val-Tyr-Ile-His-Pro-Phe; З. Asp-Arg-Val-Tyr-Ile-His-Pro-Phe-His-Leu.
2. Взаимодействие эндорфинов с опиоидными рецепторами вызывает:
A. повышение кровяного давления; Б. снижение кровяного давления; B. болевой эффект; Г. анальгезию; Д. расширение бронхов; Е. бронхоспазм.
3. Составьте смысловые пары:
А. тиролиберин; Б. тироксин; В. тироглобулин; Г. трийодтиронин; Д. тиротропин.
I. белок с высоким содержанием тирозина; II. гормон щитовидной железы; III. активная форма гормона щитовидной железы; IV. пептидный гормон гипофиза; V. рилизинг-фактор, продуцируемый гипоталамусом.
4. Биосинтез липоксинов происходит с помощью фермента:
А. ренина; Б. 15-липоксигеназы; В. 5-липоксигеназы; Г. циклооксигеназы; Д. АЦК-оксидазы; Е. ангиотензинконвертазы.
5. Для лекарственного препарата аспирин определите механизм биологического действия и медицинский эффект.
А. ингибитор ангиотензинконвертазы; Б. ингибитор циклооксигеназы; В. ингибитор фосфолипазы А2; Г. ингибитор 5-липоксигеназы.
I. гипотензивное действие; II. противовоспалительное действие; III. противоастматическое действие; IV. антитромботическое действие.
6. Найдите название представленных соединений
1. лейкотриен LTA4; 2. тромбоксан TXB2; 3. простагландин PGH2; 4. зеатин; 5. гиббереллин GА1; 6. тироксин; 7. абсцизовая кислота; 8. жасмоновая кислота; 9. фторокорт; 10. арахидоновая кислота; 11. преднизолон; 12. липоксин LXA4