Фізіологія рослин - Мусієнко М.М. 2001

Кореневе живлення рослин
Металорганічні комплексні сполуки

На долю мінеральних елементів (так званих неорганогенів) припадає близько 5% елементарного складу рослинного організму, серед яких десять металів (натрій, калій, магній, кальцій, марганець, залізо, кобальт, мідь, цинк і молібден) одержали назву «металів життя» або «біометалів». Перелік біометалів повинен бути ширшим, і в їх число слід включити ванадій, нікель, кадмій, які виявлені в протеїнах. Принципи відбору в ході еволюції вищеназваних біометалів для побудови біосистем до цього часу не вивчені, хоча цілком очевидно, що їх розповсюдження — не основний критерій. Так, кремній, алюміній досить розповсюджені в природі елементи, проте вони не є елементами життя, тоді як молібден, навпаки, малопоширений, проте, необхідний для життєдіяльності організмів.

У періодичній системі Д.І. Менделєєва біометали розташовані досить компактно і утворюють два островки (Na, К, Mg, Ca, та Mn, Co, Fe,Cu, Zn). Різниця у фізико-хімічних властивостях металів багато в чому визначає специфіку впливу їх на живий Організм. Наприклад, іон натрію належить до позаклітинних, а калію — до внутріклітинних елементів. Тенденція до утворення ковалентних зв’язків у вищевказаних елементах виражена дуже слабо, через це вони не беруть участі в окислювально-відновних процесах і не здатні заміщуватись подібними за розмірами, наприклад, іонами міді; останні мають здатність до уворення ковалентних зв’язків і до участі в окислювально-відновних процесах.

Тенденція до утворення ковалентного зв’язку у магнія виражена сильніше, ніж у кальція, і він утворює досить стійкі донорно-акцепторні звязки з атомами азоту в змінних групах.

Численні макромолекули рослин взаємодіють з іонами металів. До природних лігандів слід віднести білки, поліпептиди, НУКЛЕЇНОВІ КИСЛОТИ, Вітаміни. Кожний із цих компексів складається з центрального іона(частіше всього металу), груп, які зв’язують метал, противоіонів, як правило, звязаних у комплексі за рахунок електростатичних сил.

Метал і ліганд разом утворюють внутрішню сферу комплексу. Функціональними групами, які легко координують з іонами перехідних металів, можуть бути карбоксильні, зміно- і іміно- групи, індольна, гідроксильні, дисульфгідрильні і фосфатні групи. Слід зазначити, що стабільність комплексів металів з лігандами залежить від наявності циклічних структур. Навіть поява замкненого циклу з одними і тими ж донорними атомами приводить до підвищення стабільності комплексу на декілька порядків.

Найбільш розповсюдженими природними лігандами є фітин, хлорофіл, пластоціанін, залізовмісні сполуки (фередоксин, цитохроми). Основні функції металів у комплексах — це участь у окислювально-відновних реакціях і РЕГУЛЯЦІЯ АКТИВНОСТІ ФЕРМЕНТІВ. На основі даних еволюційної біохімії метали реалізували ці функції спочатку з допомогою вільних іонів, пізніше — за допомогою сполук з низькомолекулярними білками і нуклеотидами, а ще пізніше — високо- молекулярними білками і нуклеотидами і, нарешті, ліпопротеїдами.

Експериментальні дослідження участі металів у регуляції активності ферментів відкрили цінні погляди не тільки на механізм ферментативних реакцій, але і на специфічні функції мінеральних елементів у рослинах. Виходячи з основних положень ферментативного каталізу, найбільш визнаним механізмом регуляції каталітичної активності металами є аллостерична регуляція. Аллостеричні явища передбачають структурні зміни, зв’язані з ділянками поліпептидного ланцюга, віддаленими від активного центру. Через це метали можна розглядати як аллостеричні еффектори каталізу. Так, магній наприклад, виступає аллостеричним активатором лужної гексозо діфосфатази.

Іони металів безпосередньо впливають на конформаційні властивості ферменту і є зручною для досліджень міткою в активному центрі. Крім того, іони металів підтримують структурну організацію ферменту, змінюють конформацію як ферменту, так і субстрату. Навіть незначні зміни конформації субстратів, спричинені металами, можуть приводити до суттєвих змін активності ферментів. Безпосередня участь іонів в акті каталізу встановлена для багатьох окислювально-відновних ферментів. Ферменти, які мають декілька взаємодіючих атомів перехідного металу (залізо, мідь, молібден або марганець) в одній макромолекулі, легко віддають і приймають електрони. Так, молібден у складі нітратредуктази рослин є одним із компонентів ланцюга транспорту електронів від відновленого піридиннуклеотиду до нітрату. Слід мати на увазі, що при безпосередній участі в акті каталізу, метал контактує і з білком, і з субстратом. У такому разі функція металу неоднозначна. При участі металу субстрат приєднується до ферменту (утворенння одновалентними катіонами містка між ферментом у реакціях фосфорилування).

У випадку флавінових ферментів допускається як участь металу в приєднанні субстрату до білкової частини, так і забезпечення взаємозв’язку між флавіновою групою і апоферментом. Прикладами таких ферментів є нітратредуктаза (залізо, молібден), нітритредуктаза (залізо, мідь), гідроксиламінредуктаза (залізо, марганець). Найчастіше комплекс метал-субстрат виступає в ролі істинного субстрату в ферментативних реакціях (НУКЛЕОТИДИ). Основна функція катіона в таких випадках полягає в нейтралізації від’ємного заряду на фосфатному залишку субстрату (допускається, що Мg⁺⁺ — АТФ — справжній субстрат цього ферменту.

Якщо іони не входять у структуру активного центру, вони можуть впливати на константу ДИСОЦІАЦІЇ функціональних груп ферменту, зміну локального розподілу зарядів на поверхні молекули і сумарного заряду всієї молекули. Допускається участь ряду двовалентних катіонів у стабілізації активної конформації рослинних ферментів. Таку функцію, наприклад, виконує мідь у рибульозобісфосфаткарбоксилазі шпинату, кальцій в пероксидазі хріну тощо.

Деякі необхідні для дії ферментів метали (мідь, залізо, марганець, нікель) досить часто проявляють каталітичну активність у вигляді неорганічних сполук. Так, іони міді каталізують окислення аскорбінової кислоти, іони заліза прискорюють розкладання перекису водню, іони ряду металів здатні здійснювати декарбоксилювання деяких дикарбонових кислот. Проте каталітичність іонів посилюється на декілька порядків при сполученні металу з білковою частиною молекули ферменту.

Однією з причин зміни активності ферментів під впливом елементів мінерального живлення може бути зміна спектра молекулярних форм елементів. Так, азот змінює спектр глутамат- дегідрогенази, а відсутність магнію викликає у кукурудзи появу нового ізоферменту лактатдегідрогенази, зміну числа ізоферментів малатдегідрогенази і глюкозо-6-фосфатдегідрогенази, а також збільшення кількості ізоферментів алькогольдегідрогенази.

Зміна мінерального складу поживного середовища приводить до змін у кількісному співвідношенні окремих іонів у самій рослині, що відбивається на ферментативній активності. Встановлено, що при дефіциті у грунті цинку уповільнюється поглинання макроелементів і одночасно спостерігається стимулювання активності глютаматдегідрогенази і карбоангідрази. Аналогічне явище спостерігалось при зменшенні вмісту заліза в поживному середовищі.

Отже, на основі вищезгаданих фактів можна постулювати декілька можливих механізмів участі металів у ферментативному каталізі:

·зв’язуючись в активному центрі ферменту, іони металів беруть участь в утворенні фермент-субстратного комплексу (в цьому випадку вони є структурною частиною ферментів);

·метали виступають індукторами і стабілізаторами активної конформації ферментів (в таких випадках вони можуть зв 'взуватися ділянками білка, які віддалені від активного центру);

·метали зв'язують дві або ж декілька мономерних субодиниць білка в каталітично полімерний агрегат.

Не викликає сумніву суттєве значення деяких катіонів для певних стадій біосинтезу білка, хоча роль неорганічних іонів у процесі біосинтезу рослинних ферментів досліджена недостатньо. Переконливо доведена участь як двовалентних іонів магнію, марганцю, так і одновалентних, у тому числі амонію в регуляції РНК-полімеразної системи. Роль іонів у біосинтезі ферментів полягає у їхньому впливі на активність аміноацил-тРНК-синтетаз, на підтримання структури рибосом. Висловлюється думка, що двовалентні метали відіграють роль у специфічному виборі місця посадки ферменту на ДНК.

Цікавим прикладом участі іонів металів у процесах неферментативного каталізу є каталіз реакції перенесення фосфату від АТФ до інших акцепторів. Головна функція іонів металів при неферментативних перетвореннях поліфосфатів полягає в нейтралізації від’ємних зарядів на поліфосфаті і тим самим полегшенні нуклеофільної атаки (прикладом можуть бути іони магнію). Швидкість реакції збільшується у міру підвищення в середовищі концентрації іона металу.

Отже, Елементи мінерального живлення здатні асоціюватися не тільки з основними класами органічних сполук, але і з важливими в енергетичному відношенні сполуками типу АТФ і тим самим впливати на енергетичні процеси в рослин. Без вирішення питань про вплив елементів на Органічні сполуки неможливе створення повноцінних теоретичних основ мінерального живлення.