И.П. Ермаков - Физиология растений (1134204), страница 91
Текст из файла (страница 91)
Метаболизм фосфата Главный биохимический путь включения фосфата в органические соединения идет через АТФ: неорганический фосфат вовлекается в реакции углевод- ного обмена (см, гл, 3 и 4) и биосинтеза фосфолипидов. В состав нуклеиновых кислот АТФ входит как ключевое соединение. Поскольку химическая форма фосфора не меняется, можно говорить о «химической» компартментации фосфата или распределении Ф„между различными типами органических соединений. В табл. 6.4 приведены величины времени обновления различных химических Р-пулов. Уже через 30 с поглощенный Ф„включается в состав АТФ в у-положении: и в у аденозин — Р-Р-Р Далее имеет место быстрая обменная реакция между АТФ и УТФ, катализируемая нуклеозиддифосфаткиназой, поэтому следует говорить о быстро обновляемом пуле (АТФ + УТФ).
Высокая скорость обновления Р-Р в этом пуле 357 Т а б л и ц а 6.4. Время обновления н скорость синтеза различных типов фосфорсодержагних органпческих соединений (по К.1.. В1с1сзИ, 1. В. Гсгбпаоп, 1983) свидетельствует, что примерно 1 из 4 молекул ~уклеотидфосфатов окисляется до мононуклеотида. В стационарном состоянии до 45 % поглощаемого фосфата проходит через нуклеотидный пул. Второе место по интенсивности вовлечения фосфата в метаболизм занимают реакции фосфорилирования глюкозы и триоз в гликолизе.
Менее быстрые реакции включения Р— через фосфатидилхолин в состав фосфолипидов биомембран. Обновление «структурного» фосфата в составе нуклеотидов, где АТФ вЂ” ключевое соединение, идет чрезвычайно медленно, и содержание Р в ДНК достаточно стабильный показатель для вида. Доля Р в других формах фосфорсодержащих соединений от общего содержания Р меняется в зависимости от типа ткани, возраста и фосфорного питания.
После заполнения пулов быстро обновляемого органического фосфата в клетке начинается накопление неорганического фосфата. За исключением строгого фосфорного голодания, цитозольная концентрация Ф„поддерживается на постоянном уровне (5 — 1О мМ) независимо от экзогенной концентрации Ф„. Постоянство концентрации Ф„в цитозале необходимо для обновления и поддержания химических пулов Р и протекания множества ферментативных реакций. Вакуолярная концентрация, напротив, широко варьирует: быстро возрастает в ответ на улучшение фосфатного питания и снижается вплоть до нуля при фосфатном голодании. Максимальная концентрация в запасном пуле обычно не превышает 25 мМ. Наиболее значительный прогресс в картировании внутриклеточных пулов Р был достигнут с применением ЯМР-спектроскопии.
На рис. б.36 представлен достаточно тини пгый спектр распределения Р между различными клеточными пулами, полученный для суспензионной культуры клеток моркови 1л аппо. Фосфорилирование и дефосфорилирование белковых молекул — важнейший способ регуляции их активности. Включение фосфата в молекулу белка приводит к перераспределению в ней электрических зарядов, модификации структуры и функций. Фосфорилирование белков регулирует активность многих ферментов, синтез РНК и белка, как следствие — деление и дифференцировку клеток.
Это способ быстрой регуляции метаболической активности на уровне клетки и тканей. Активности ферментов синтеза сахаров, аминокислот и изопреноидов, атаюке ферментов расщепления сахарозы и Н -АТФаза Р-типа в цитозоле регулируются обратимым фосфорилированием белковых молекул по серину/треонину. 358 Рис. 6.36. Типичный спектр распределения фоефата между различными клеточными пулами, полученный для суспензионной культуры клеток моркови ги егао (по Сагго! еГ а1., 1994) Рассмотрим пример пост-трансляционного контроля за распределением потоков С между сахарами и аминокислотами в ответ на действие факторов среды.
Активность сахарофосфатсинтазы (СФС) может модулироваться разными типами фосфорилирования. Если фотосинтез заингибирован, СФС инактивируется фосфорилированием по серину в положении 158. В ответ на водный стресс СФС активируется фосфорилированием по серину-424 через Сам-зависимую киназу. Пул сахарозы и растворимых сахаров при этом увеличивается. Известен механизм более тонкой регуляции активности ферментов путем фосфорилирования, в котором принимает участие низкомолекулярный белок 14-3-3. Белки, фосфорилированные по серину, становятся мишенью для присоединения 14-3-3-белка, который связывается с определенным фосфопептидом: Арг-Сер-Х-фосфоСер-Х-Про.
После связывания белок-мишень меняет свои свойства: активность, стабильность, субклеточную локализацию и характер взаимодействия с другими белками. Такой тип регуляции — фосфорилирование по серину с последующим связыванием с 14-3-3-белком — установлен для многих ферментов: НР„ГС, СФС, ФЕПК, З-ФГА-дегидрогеназы, Н -АТФазы плазмалеммы и др. У хорошо обеспеченных Фа растений большая часть поглощенного корнями фосфата транспортируется по ксилеме в более молодые листья. Радиальный транспорт по корню идет в виде фосфорных эфиров сахаров.
В ксилему фосфат загружается после дефосфорилирования ГлбФ и по ксилеме транспортируется в виде Ф„(см. рис. 6.23). Использование меченого фосфата показало, что он достигает ксилемы примерно за 8 мин. В зависимости от доступности в среде концентрация Ф„в ксилеме варьирует от 1 до 7 мМ. 359 Наблюдается также быстрая ретранслокация Ф„по флоэме.
В экспериментах на растениях фасоли с разделенной корневой системой было показано, что через 6 ч после внесения меченого фосфата под одну часть корня он появляется в другой части. Приблизительно половина Ф„, ретранслоцированного из надземных органов в корни по флоэме, затем переносится в ксилему и возвращается обратно в листья. Если в ксилеме Р всегда транспортируется исключительно как свободный фосфат, то во флоэме обнаруживаются значительные количества органического фосфора.
6.3.1.5. Ответные реакции растительного организма на дефицит фосфата Ответные реакции растения на дефицит фосфата могут наблюдаться на морфологическом, физиологическом, биохимическом или молекулярно-биологическом уровнях. На уровне морфологии отмечаются: усиленный рост корня и увеличение его относительной массы в целом растении, преимущественное развитие боковых корней по сравнению с главным, повышенная пролиферация корневых волосков (на их долю в среднем приходится 63 % поглощения фосфатов), растяжение корневых волосков, образование протсоидных корней, более интенсивное формирование микоризы.
Изменение структуры корневой системы сопровождается изменениями на уровне физиологических реакций. Отмечаются повышенное выделение органических кислот (малата и цитрата) корнями и подкисленис почвы, выделение хслатирующих веществ для удаления двухвалентных катионов, образующих нерастворимые соли ортофосфорной кислоты и, наконец, выделение фосфатаз в среду обитания корней. Увеличивается скорость поглощение Ф„из почвы и уменьшается отток Ф„из корней. Увеличивается скорость ретранслокация Ф„ из более старых листьев и мобилизация вакуолярного запаса Ф„вплоть до исчерпания.
За этим следует драматическое снижение концентрации фосфата в цитозоле вплоть до 0,01 мМ. Это сказывается на размере аденилатного пула Р (АТФ, ГТФ, ЦТФ и УТФ), который снижается до 20 — 30% и менее от нормального уровня. В противоположность этому пул пирофосфатов (ФФ„) не зависит от снабжения Ф„. При остром фосфорном голодании ФФ„мозкет выполнять функции автономного донора энергии в цитазоле, что во многом определяет метаболическую или биохимическую адаптацию.
В целом на биохимическом уровне изменения при дефиците Р выражаются в увеличении количества фосфатаз, рибонуклеаз и органических кислот; изменяется уровень фосфорилирования белков и активируется гексозомонофосфатный путь дыхания. На уровне гликолиза подключаются альтернативные шунтирующие реакции: 1) ФФ„-зависимое фосфорилирование фруктозо-6-фосфата, катализируемое пирофосфатзависимой фосфофруктокиназой (см.
гл. 4); 2) нефосфорилирующее (необратимое) окисление ФГА до ФГК НАДФ-зависимой ФГА-дегидрогсназой, которое шунтирует гликолитические реакции, катализируемые НАД-зависимой ФГА-дегидрогеназой совместно с 3-ФГА-киназой. Активность двух вышеназванных ферментов при фосфорном голодании увеличивается примерно в 20 раз. 360 На молекулярном уровне активируются гены рибонуклеаз, фосфатаз, бел- 2+ ков-транспортеров фосфата, Са -АТФаз, вегетативных запасных белков, бглюкозидаз, ФЕПК и др. Экспрессия семейства генов, кодирующих белкитранспортсры Ф„плазмалеммы или тонопласта, увеличивается с течением времени от начала голодания. У арабилопсиса по крайней мере три гена, кодирующих фосфатные транспортеры, экспрессируются в корнях и находятся под контролем фосфатного голодания.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
