Документ. Курс лекций 2 Лекция физиология растений наука
 Скачать 1.59 Mb.
|
|
-феразой, в Р-центрс гидролизустся связь тРНК-полипептид, причем последний освобождается из рибосомы. Кроме отделения полипептидной цепи, происходит освобождение мРНК от рибосомы, которая вновь готова к трансляции. У эукариот синтез белка протекает в основном также, как и у прокариот, хотя и имеются некоторые различия. Например, у эукариот рибосомы имеют больший размеру них больший ассортимент белков и белковых факторов около 10). Нацепи мРНК прокариот может синтезироваться несколько поли- пептидных испей, тогда как у эукариот — только одна полипептидная цепь, так как транскриптон эукариот синтезирует всего одну мРНК. Различия в механизмах трансляции в основном касаются процессов инициации трансляции. Различают четыре этапа инициации. * Диссоциация рибосомы на 40S- и 60S Ч'убъединицы. Присоединение к 40 S- субъединице инициирующих факторов IF-3 и IF-1 А, препятствующих реас-социапии 40S- и субъединиц в полную рибосому. * Образование тройного комплекса, состоящего из Met-тРНК, ГТФ и IF-2, Затем этот комплекс взаимодействует с субъединицей рибосомы, в результате образуется преипициирующий комплекс. Образование премниии-ируюшего комплекса протекает в несколько стадий. Сначала происходит связывание ГТФ с IF-2. Этот двойной комплекс соединяется с Mct-тРНК и с инициирующим колоном мРНК АУГ. Образованный четырехкомпонентиый комплекс соединяется с 408-субъедипиией рибосомы, в результате получается 43S преинициируюший комплекс, который стабилизируется при помощи IF-3 и IF-1 А. Одной из важнейших структур, регулирующих синтез белка на 117 стадии инициации, является белковый фактор IF-2. Он состоит из трех субъединица, Пи у, причем регуляторной является а-субъединица, которая фосфорили-руется по серину 51. * Связывание мРНК с 43S преинипиирующим комплексом и образование 48S инициирующего комплекса. Комбинирование 48S инициирующего комплекса с 608-субъедииицей рибосомы и образование 80S инициирующего комплекса. В процессе образования полной рибосомы при помощи IF-5 происходит гидролиз ГТФ, связанного с IF-2. Эта реакция освобождает все факторы инициации, связанные с 48S инициирующим комплексом, и осуществляет быструю ассоциацию и субъединиц в 80S полную рибосому с Mct-тРНК, расположенной в Р-сайте. Синтез белка процесс, протекающий со значительной затратой энергии. Легко подсчитать число макроэргов, которые расходуются на образование одной полипептидной связи. При активации аминокислот АТФ гидролизуется до АМФ, что эквивалентно затрате двух макроэргов, а инициация трансляции требует один макроэрг ГТФ. В процессе элонгации затрачивается два макроэрга ГТФ: один на доставку' аминоацил-тРНК в А-центр рибосомы, а второй -на процесс Транслокации. И наконец, па термииаиию требуется один макро-эрг ГТФ. Что же происходит с полипептидной цепью после освобождения ее из рибосомы Еще на рибосоме начинается процесс частичного формирования вторичной структуры белка. После образования членного полипе пиша конец выхолит из рибосомы и процесс скручивания белка продолжается вне ее. Это придает структуре жесткость, необходимую для пересечения мембран эпдоплазматического ретикулума Процесс закручивания иолипептилпой испи происходит при помощи специальных белков — шаниронов. При синтезе мембранных и секреторных белков, начиная с jV- конца полипептидной цепи, от 10 до 30 аминокислотных остатков образуют сш нальную последовательноегь, состоящую из гидрофобных аминокислот. В клетках существуют свободные и мембранно-свя-занные рибосомы, причем связывание их с мембраной ЭР определяется в основном сигнальной последовательностью растущего полипептида. В мембранах ЭР найдены два гликопротсина, получившие название рибофорины, которые специфически соединяются с сигнальной последовательностью полипептида. Это присоединение имеет более сложный характер. Оказалось, что в питоплазме присутствуют специальные сигналузиаюшие структуры (СУС), представляющие собой 11S рибонуклеопротеины. Они взаимодействуют с сигнальной последовательностью растущего полипептида, при этом элонгация временно прекращается. Синтезирующийся полинептид с СУС присоединяется к рибофоринам в мембране ЭР при этом образуется мембранный канал, который иногда называют трапелоконом. Элонгация возобновляется, но теперь она сопряжена с перемещением пептида через мембрану ЭР. После завершения синтеза полипентидной цепи под действием иротеазы, которая носит название сигналаза,сигнальная последовательность отщепляется, а новосинтезированный белок подвергается поеттрапеляционным модификациям или проиессингу. Для большинства секреторных и мембранных белков процессинг сопряжен с транспортом через определенные компартменты. Так, гликозилирование и ограниченный иротеолиз начинаются уже в ЭР и продолжаются в аппарате Гольджи. Этот комнартмент состоит из 12—15 тарелок, сложенных в стоику Сторона, ориентированная па ЭР, называется цис-стороной, а в направлении цитоплазматической мембраны — транс-стороной. Новосинтсзироваиные белки поступают на цис-сторону аппарата Гольджи и перемещаются на его транс-сторону, 118 пересекая все тарелки, причем по мере движения происходит их химическая модификация. Эта модификация имеет огромное значение, так как она, в частности, определяет следование новосинтезированного белка к месту функционирования. Так, фосфорилированпые в определенном положении белки следуют в лизосомы, гликозилированныс белки, в зависимости от сайта гликозилирования и размеров углеводной цепи, могут встраиваться в мембраны или экспортироваться в другие ткани и органы. Кроме того, химическая модификация определяет свойства зрелых белков. Аппарат Гольджи является своеобразным сортировочным депо, отделяющим нормальные белки от дефектных. Последние перемещаются в лизосомы ассоциированные с аппаратом Гольджи, где гидролизуются до аминокислот. Нормать- ные белки доходят до транс-стороны и попадают в секреторные гранулы, которые отделяются от аппарата Гольджи и диффундируют к цитонлазматиче-ской мембране. Затем методом экзопитоза белки попадают во внеклеточное пространство. Внутриклеточные белки синтезируются на свободных рибосомах. Они нэ имеют сигнальных последовательностей, однако в большинстве своем синтезируются в виде пробел ков. Некоторые из них после соответствующего про-цессинга функционируют в цитоплазме, другие импортируют во внутриклеточные органеллы. Кроме адресной модификации, существуют многообразные химические модификации и локальный протеолиз белков, необходимые для их полноценного функционирования. Такими модификациями могут быть фосфорилирование по гидроксильным группам аминокислот, метилирование, гидроксилирование, присоединение карбоксильных, сульфо- и ацетильных групп и др. После определенного времени функционирования (для разных белков оно составляет от нескольких минут до нескольких недель и даже месяцев) белки подвергаются протеолитической деградации. Механизмы деградации различны, они зависят от типа белков, их расположения в томили ином ком-партменте и от протеолитического потенциала клетки или ткани. Например, в клетках свободные белки деградируют в два этапа. Функционирование белков связано, как правило, с изменением их структуры и релаксацией к исходному состоянию. По мере биологического действия накапливаются некоторые изменения структуры, которые релаксируются не полностью, в результате происходит старение белков. Изменение структуры является сигналом для атаки цитоплазматичеоких. сериновых протеииаз, которые разрывают полипептидные связи или вырезают некоторые аминокислотные последовательности. Частично деградированный белок поступает в лизосомы, где происходит его полная деградация. Иногда сигналом для прогеологической атаки служит присоединение к старому белку низкомолекулярпых полипептидов, например убиквитинаСинтез белка — сложный, многостадийный процесс, зависящий от функционального состояния ДНК, РНК и непосредственно белок-синтезируюшей системы. Поэтому механизмы регуляции скорости образования белка реализуются как в ядре, таки в цитоплазме. Из рассмотренного понятно, что в образовании полипептидной цепи участвуют все три типа РНК. Таким образом, транскрипция является одним из факторов, определяющих скорость белкового синтеза. Экспрессия генов увеличивает скорость транскрипции, репрессия — снижает. Регуляция синтеза белка у эукариот. Это более сложный процесс, так как транскрипция и трансляция происходят в разных компартментах и обеспечиваются большим количеством соответствующих структур. На уровне транскрипции регуляторные механизмы у прокариот и эукариот имеют ряд общих черт. Рассмотрим некоторые отличительные особенности. Для клеток 119 эукариот характерна амплификация генов и их перестройка. Оба механизма обеспечивают резкое увеличение копий тех или иных белков, необходимых для реализации клеточного метаболизма. Известно, что в клетках эукариот ДНК, соединенная с белками (гистонами), упакована в иуклеосомы. В этом состоянии транскрипция невозможна, и лтя экспрессии генов необходимо деблокирование транскриптона. Следовательно, образование и разрушение нуклеосом является важным фактором регуляции эукариотических генов. Каким же образом происходит деблокирование транскриптона? Фосфорилирование гистонов.В результате действия белковых гормонов происходит опосредованное фосфорилирование ядерных белков — гисгонов и разрушение нуклеосом. Матрица при этом становится доступной для основных факторов инициации транскрипции, и начинается синтез РНК. При прекращении действия гормонов иуклеосомы восстанавливаются. Апетилирование и деацетилирование гистонов.Это важный фактор регуляции генной активности. Оказалось, что фермент гиетон-ацетил аза ассоциирована с фактором ТАФ. Ацетилирование проходит по терминальному остатку лизина в полипептидной цепи гистона. В результате ацетилирования положительный заряд белка уменьшается и сродство гистона к отрицательно заряженной ДНК снижается. Это может привести к разрушению нуклеосом и деблокированию транскриптона. Деацетилирование гистонов приводит к противоположному эффекту. Специфические ацетилаза и деацети-лаза ассоциированы с белками инициации транскрипции. Регуляториыми элементами являются белки инициаториого комплекса. В дополнение можно отметить особые нуктсотадные последовательности, способствующие интенсификации транскрипции, так называемые энхансеры. Характерная особенность этих структур заключается в том, что они влияют на скорость транскрипции независимо от локализации в оперопе. Белки, взаимодействующие с энхансерами, называются энхансерными элементами, расположенными на расстоянии 1000—2000 пар оснований от региона промотора. Эти белковые факторы способны воздействовать на инициацию транскрипции благодаря образованию ДНК-петли, что приводит к пространственному сближению энхансерных элементов и. например, белков TATA. Весьма существенным фактором регуляции транскрипции является процессинг РНК. Образование зрелых мРНК зависит от скоростей кэширования, образования поли А, а также скорости сплайсинга. Для мРНК определенное регулягорное значение имеет альтернативный сплайсинг. Кроме белков инициаторного комплекса, на скорость транскрипции оказывают существенное влияние ДНК-связывающие белки. Из нескольких семейств наиболее известны белки типа цинковые пальцы, спираль—виток—спираль и гомеодоменные белки. Специфическое связывание этих белков с ДНК происходит в результате взаимодействия боковых радикалов аминокислотных остатков белка с основаниями ДНК. Цинковые пальцы представляют собой серию повторяющихся доменов (от двух до девяти, имеющих форму пальца. В центре координации каждого домена находится цинк. В одних случаях цинк соединен с четырьмя остатками цистеина, в других — с двумя цистеинами и двумя гистидинами. Наконечный результат — синтез белка — влияет также скорость транспорта РНК в цитоплазму. В цитоплазме мРНК, взаимодействуя с определенными белками, образует информосому своеобразное депо, из которого мРНК освобождается по мере 120 надобности для синтеза белка. Скорость освобождения мРНК также является фактором регуляции белкового синтеза. Скорость синтеза белка напрямую зависит от количества мРНК, которое определяется временем ее «полужизни» или стабильностью in vivo. Таким образом, факторы, влияющие на стабильность мРНК. являются регуляторами экспрессии генов и, как следствие, белкового синтеза. Одной из структур, определяющих стабильность мРНК, является полиА-последовательность на З'ОН-концс.Лимитирующей стадией процесса трансляции является ее инициация. Наиболее подробно описан процесс изменения скорости инициации трансляции в результате фосфорилирования фактора инициации IF 2 . Реакция катализируется ферментом 1Р 2 -киназой, причем присоединение фосфатной группы инактивирует фактор инициации. Этот феномен был изучен на примере синтеза гемоглобина в рстикулоцитах. Сначала было установлено, что глобин синтезируется только в присутствии гема. Затем была выстроена вся система регуляции синтеза глобина. Оказалось, что активация 1Г 9 -киназы происходит за счет ее фосфорилирования цАМФ-зависимой протеинкиназой. Взаимодействие этой протеинкиназы с цАМФ и ее активацию блокирует гем, выполняя тем самым негативный контроль синтеза гемоглобина. Регуляция синтеза белка осушсствляется также на стадии процессинга белка. Модификации новосиптезированных полипептидов осуществляются при помощи соответствующих ферментов, активность которых, в свою очередь, находится под генетическим контролем. К этим модификациям относятся метилирование, фосфорилирование, гликозилирование, а также ограниченный протсолиз. Вопросы для самоконтроля 1. Обмен углеводов. 2. Обмен липидов. 3. Биосинтез аминокислот. Синтез белка. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ Основная 1. Ильина Н.А.Физиология и биохимия растений Учебное пособие / НА. Ильина, ИВ. Сергеева, АИ. Перетятко - Ульяновск-Саратов, 2013. - 335 с 978-5-86045-613-6 2. Кошкин, Е. И. Физиология устойчивости сельскохозяйственных культур учебник / Е. И. Кошкин. - М Дрофа, 2010. - 638 сил- (Учебники и учеб. пособия для студентов высш. учеб. заведений. - ISBN 978-5-358-07798-0 3. Сергеева, И.В.Физиология растений с основами экологии Учебное пособие / ИВ. Сергеева, АИ. Перетятко - Саратов, 2011. - 348 с 978-5-7011-0740-1 4. Физиология и биохимия сельскохозяйственных растений / под ред. Н.Н. Третьякова. М. : Колосс Дополнительная 1. Биохимия учебник / В. Г. Щербаков, В. Г. Лобанов, Т. Н. Прудникова. - е изд, испр. и доп. - СПб.: ГИОРД, 2009. - 472 сил. Козьмина, Н. П. Зерноведение с основами биохимии растений научное издание / Н. П. Козьмина, В. А. Гунькин, ГМ. Суслянок. - М Колосс ил. - (Теоретические основы прогрессивных технологий биотехнология. - ISBN 5-10-0039. 121 СОДЕРЖАНИЕ Лекция 1. Физиология растений – наука. 1.1. Физиология растений - наука об организации и координации функциональных систем зеленого растения. 1.2. Физико-химический, экологический и эволюционный аспекты физиологии растений. 1.3. Методологические основы фитофизиологии. Сочетание различных уровней исследования (субклеточный, клеточный, организменный, биоценотический) как необходимое условие прогресса физиологии растений. Специфические методы фитофизиологии как науки. 1.4. Этапы развития физиологии растений, их связь с общим развитием биологии и с практикой. Отечественные школы физиологов растений. 1.5. Физиология растений – теоретическая основа растениеводства и новых отраслей биотехнологии. Физиологические основы продуктивности растений. Главные проблемы современной фитофизиологии Лекция 2. Особенности строения, структурная и функциональная организация растительной клетки. 2.1. Симбиогенная гипотеза возникновения растительной клетки. 2.2. Мембранные системы растительной клетки. 2.3. Цитоскелет растительной клетки. Лекция 3. Системы регуляции и интеграции у растений. Регуляция процессов на клеточном уровне. 3.2. Метаболитная регуляция и механизм контроля протекания процесса по принципу отрицательной (положительной) связи конечными продуктами. 3.3. Системы регуляции и их иерархия в растении. Лекция 4. Фотосинтез. 4.1. Физико-химическая сущность процесса фотосинтеза и его значение в энергетическом и пластическом обмене растения. 4.2. Антенный комплекс, реакционный центр. Механизм преобразования электромагнитной энергии в энергию разделенных зарядов в фотохимических центрах. Лекция 5. Фотосинтез. 5.1. Фотохимическая фаза фотосинтеза. Электрон-транспортная цепь фотосинтеза. Циклический, нециклический и псевдоциклический электронный транспорт. Пространственная организация ЭТЦ в тилакоидной мембране. Фотосинтетическое фосфорилирование. Лекция 6. Фотосинтез. 6.1. Химизм процессов ассимиляции углерода в фотосинтезе. Цикл Кальвина, основные ферменты и механизмы регуляции цикла. Фотодыхание. 6.2. Характеристика групп С растений. Фотосинтезу САМ- растений особенности организации процесса запасания энергии и фиксации углекислоты во времени. Лекция 7. ДЫХАНИЕ. 7.1. Общее представление о дыхании, функции. 7.2. Гликолиз. 7.3. Окислительный пентозофосфатный цикл. 7.4. Цикл трикарбоновых кислот. 7.5. Дыхательная электронтранспортная цепь. 7.6. Окислительное фосфорилирование. 122 Лекция 8. Водообмен. 8.1. Количество потребляемой растением воды, содержание воды в клетках, тканях и органах. Составляющие водного потенциала клетки. 8.2. Аквапорины (белки водных каналов, их структура, принцип работы. 8.3. Транспорт воды по растению. Корень как основной орган поглощения воды. 8.4. Механизм радиального транспорта воды в корне. 8.5. Выделение воды растением. Гуттация, плач растений. 8.6. Транспирация и ее роль в жизни растений. Количественные показатели транспирации интенсивность, продуктивность, транспирационный коэффициент. Лекция 9. Минеральное питание растений. 9.1. Потребность растений в элементах минерального питания. Функциональная классификация элементов минерального питания. 9.2. Корень как орган поглощения минеральных элементов, специфических синтезов сих участием и транспорта. Механизмы поступления ионов в СП и значение этого этапа поглощения. Модели поступления ионов в корень, транспорт минеральных веществ в ксилему. Апопластный и симпластный путь. 9.3. Взаимодействие и регуляция систем транспорта ионов из среды в корень и загрузки ксилемы. Специфика радиального транспорта минеральных элементов. Синтетическая функция корня. Лекция 10. Рост и развитие растений. Определение понятий рост и развитие растений. Общие закономерности роста. 10.2. Показатели роста, образный характер кривой роста, его фазы. Типы роста у растений. 10.3. Организация меристем корня и стебля. Рост и деятельность меристем. Клеточные основы роста. 10.4. Механизмы морфогенеза растений. Полярность. Индукция генетических программ, морфогенетические градиенты и ориентация клеток в пространстве. Целостность и коррелятивное взаимодействие органов. Лекция 11. Гормональная регуляция роста и развития растений. 11.1. Ауксины. 11.2. Цитокинины. 11.3. Гиббереллины. 11.4. Абсцизовая кислота. 11.5. Этилен. 11.6. Брассиностероиды: биосинтез, многообразие. Физиологические эффекты растяжение клеток, роль в дифференцировке мезофилла. 11.7. Жасминовая кислота. Биосинтез и физиологические эффекты. Место жасмонатов в регуляции ответа. Сходство ответов на жасмонат и на АБК. 11.8. Салицилат и другие фенольные соединения. Возможная роль в регуляции термогенеза, ответа на вирусную инфекцию, цветении. Взаимодействие с другими гормонами. 11.9. Олигосахарины. Лекция 12. Фоторегуляция у растений. 12.1. Основные принципы фоторецепции. Отличие фоторецепторных комплексов от энергопреобразующих. 12.2. Фитохром и криптохром. 123 12.3. Ответы на синий свет разгибание апикальной петельки проростков, фототропизмы, устьичные движения. 12.4. Фотопериодизм 12. 5. Гормональная теория цветения Чайлахяна 12.6. Внутренние ритмы развития растений. Периодические явления в ритмах органогенеза и роста растений. Циркадные ритмы, механизм их образования. 12.7. Пластохрон 12.8. Корректировка внутренних ритмов развития внешними климатическими факторами засухой, понижениями температуры 12.9. Явления стратификации и яровизации как экологическая адаптация. Гормональная теория вернализации растений Лекция 13. Регуляция генеративного развития растений. 13.1. Индукция и эвокация цветения. Развитие соцветий. Раннее генеративное развитие, позднее генеративное развитие, развитие цветков. Нормальное развитие цветка. 13.2. Модель войны позиций (АВС). Генетические функции А, В и С. Семейства генов, содержащих домен. Проявления пола у растений. Самонесовместимость. Гетероморфная и гомоморфная самонесовместимость. Спорофитный и гаметофитный контроль самонесовместимости. Регуляция пола. 13.3. Условия минерального питания, возраст, гормональный статус как факторы, влияющие на пол растений. Лекция 14. Физиология устойчивости растений. Стресс и адаптация — общая характеристика явлений. Неблагоприятные факторы биотической и абиотической природы. 14.2. Ответные реакции растений на действие стрессоров. Специфические и неспецифические реакции. Природа неспецифических реакций. Стрессовые белки и их функции. 14.3. Водный дефицит 14.4. Механизмы засухоустойчивости мезофитов. 14.5. Высокие концентрации солей. Типы почвенного засоления. Адаптация растений к осмотическому и токсическому действию солей. 14.6. Способы поддержание оводнѐнности. Протекторные белки (ПБ), синтезирующиеся в растениях при солевом стрессе. 14.5. Высокие концентрации солей. Типы почвенного засоления. Адаптация растений к осмотическому и токсическому действию солей. 14.6. Способы поддержание оводнѐнности. Протекторные белки (ПБ), синтезирующиеся в растениях при солевом стрессе. 14.7. Аноксия и гипоксия. 14.8. Токсичность тяжелых металлов для растений их накопление в тканях. Фиторемедиация. Лекция 15. Обмен веществ. Обмен углеводов. 15.2. Обмен липидов. 15.3. Биосинтез аминокислот. Синтез белка. |