Распад белков. 
Физиология растений

Одновременно с новообразованием белка в растении идет и непрерывный его распад. Раньше считали, что распад белка происходит главным образом при прорастании семян, когда гидролизуются запасные белки эндосперма или семядолей, и при старении органов. Физиологическое значение распада белков в прорастающих семенах состоит в том, что крупные белковые молекулы не могут транспортироваться из запасающих органов в растущие части зародыша. Из семядолей или эндосперма в клетки зародыша транспортируются лишь продукты гидролиза белков — аминокислоты и амиды. Распад белка происходит и при формировании семян. Он начинается сразу после оплодотворения яйцеклетки во всех тканях, прилегающих к зародышевому мешку. Реутилизация азота из нижних листьев при его дефиците в почвенном или питательном растворе возможна только после распада белков и транспорта образовавшихся аминокислот в меристемы.

В настоящее время известно, что белки распадаются постоянно. Время, за которое распадается половина имеющегося количества данного белка, — это время его полураспада. В клетках высших растений оно составляет в среднем от 1 ч до 5 сут. У отдельных белков время полураспада разное, например, у ориитин-декарбоксилазы — 11 мин, триптофан-оксигеназы — 2 ч, аргиназы — 5 ди. Продолжительность жизни белка-фермента зависит от наличия субстрата.

Итак, два взаимоиротивоиоложных процесса — синтез и распад белка — идут одновременно. В клетке происходит непрерывное самообновление белков: за 48 ч вновь синтезируется до 60% белков организма. В каждом отдельном случае преобладает то один, то другой процесс, причем заметное влияние на это соотношение оказывают внешние факторы. При повреждении органов, под действием высокой температуры, в условиях засухи, засоления суммарный распад белков преобладает над их синтезом. Интересно отметить, что в прорастающих семенах распад белков усиливается при поступлении воды в клетки, а в листьях — при их обезвоживании.

Первый этап распада белка — его гидролитическое расщепление — происходит под действием протеаз с образованием свободных аминокислот. Из образующихся аминокислот организм может синтезировать новые белки. Следовательно, накопление аминокислот в результате распада белка подготавливает условия для его синтеза.

В клеточном ядре и цитоплазме находится протеаза с молекулярной массой 600—900 кДа — протеасома. Она гидролизует белки до коротких пептидов, состоящих примерно из 6—9 аминокислотных остатков. Причем она действует только на те белки, которые предварительно соединяются с четырьмя и более молекулами убиквитина. Убиквитин — это белок из 76 аминокислотных остатков, распространенный повсюду (от лат. ubique — везде). Убиквитирование может происходить постоянно или вызываться нарушением структуры белковой молекулы, ее старением и другими факторами.

Другой механизм распада белков — АТФ-зависимый гидролиз с помощью протеаз, получивших название С1р-протсаз. Их название объясняется тем, что впервые они были открыты как протеазы, разлагающие белок казеин (англ, caseinolityc protease). Эти протеазы встречаются у растений в цитозоле, ядре, пластидах, митохондриях, вакуоли. Они также имеются у бактерий и животных.

Второй этап распада белков — окислительное дезаминирование возникших аминокислот с образованием свободного аммиака и оксокислоты. Теряя два атома водорода, аминокислота превращается в иминокислоту, а водород окисляется кислородом воздуха до воды. Образовавшаяся иминокислота, гидролизуясь, дает оксокислоту и аммиак:

Среди всех аминокислот, образующихся при распаде белка, особенно быстро подвергаются окислительному дезаминированию глутамат, аспартат и аланин. В результате образуются соответственно оксоглутарат, оксалоацетат, аланин. Окислительное дезаминирование аминокислот является основным способом превращения азотистых веществ в безазотистые, которые потом могут быть использованы для синтеза жиров и углеводов.

Если окислительное дезаминирование идет интенсивно, то создается опасность отравления аммиаком. Чтобы этого не случилось, аммиак вновь вступает в реакцию прямого аминирования с оксоглутаратом и глутаматом, и возникают новые аминокислоты. Однако этот процесс идет только в тканях, имеющих достаточный запас углеводов.

Главным способом обезвреживания образующегося аммиака является его ассимиляция с помощью реакций, катализируемых ГС и ГОГАТ, а также аспарагинсинтазы с образованием амидов — глутамина и аспарагина.

У растений может образоваться и мочевина. Образование мочевины идет через орнитиновый цикл Кребса — Гензеляйта (рис. 6.13). Согласно этому циклу, орнитин, присоединяет С0₂ и N113. Последний появляется не только при дезаминировании аминокислот, но и при избыточном питании растений аммонийными солями. В результате появляется цитруллин, образующий далее аргинин. Аргинин иод действием аргиназы расщепляется на мочевину и орнитин. Орнитин может быть снова включен в цикл. Синтез мочевины идет лишь в аэробных условиях. В условиях стресса из орнитина может синтезироваться пролив.

Рис. 6.13. Орнитиновый цикл Накопление пролина защищает клетки от обезвоживания при водном стрессе и от АФК.

Амиды играют важную роль в жизни растения. В результате их образования не только обезвреживается аммиак, но одновременно запасается в тканях азот. Аспарагин и глутамин, как аспартат и глутамат, принимают участие в переаминировании. Амиды — транспортная форма азота, обеспечивающая его передвижение из одного органа в другой. И, наконец, амиды стимулируют синтез белка.

Аспарагин и глутамин содержатся в различных органах (корнях, стеблях, листьях, плодах) и тканях растений. Преобладает обычно один из них. Амиды образуются уже в клетках корней, доказательством чего является их присутствие в пасоке. На образование амидов влияет возраст растений.

В более молодых органах, и даже в более молодых клетках одного органа, образование амидов идет интенсивнее. При избыточном аммонийном питании амиды могут выделяться через корни или через листья при гуттации.

В тех случаях, когда не хватает углеводов или интенсивность дыхания мала, аминокислоты и амиды не образуются, и аммиак накапливается в клетках. В результате происходит повреждение мембран и выделение аммиака из клеток.

Образующиеся в результате распада белков аминокислоты могут декарбоксилироваться с образованием 0О₂ и промежуточных веществ. Некоторые из этих веществ участвуют в синтезе гормонов. Так, во время распада белков образуется триптофан, который в результате декарбоксилирования и окислительного дезаминирования превращается в индолилуксусную кислоту, стимулирующую рост растения и синтез белка (рис. 6.14). Превращение продукта распада белка в гормон, активирующий синтез белка, — это один из примеров обратной связи.

Рис. 6.14. Использование триптофана для синтеза ИУК

Вместе с тем в клетках высших растений содержится фермент фенилаланинаммиаклиаза (ФАЛ), катализирующий дезаминирование фенилаланина и тирозина с образованием аммиака, кумаровой и коричной кислот:

Коричная и кумаровая кислоты — вещества, ингибирующие рост. Следовательно, условия, вызывающие распад белков (высокие температуры, засуха и др.), приводят к возникновению ингибиторов роста, в результате рост растений тормозится, и потребности в белках снижаются.

Из всего сказанного о превращениях азотистых веществ в растении следует, что это циклический процесс.

Впервые на это обратил внимание Д. Н. Прянишников. Взаимоотношения между белками, аспарагином и аммиаком он представил в виде цикла (рис. 6.15). Это первый цикл, известный в физиологии растений. Левая сторона схемы показывает этапы синтеза, а правая — распада белка. Направление «НЫ0₃ —» МН₃ —> —" аминокислоты —" белки" представляет собой первичный синтез белковых молекул за счет поглощаемых из почвы нитратов, а направление «аспарагин —> ИН₃ —> —» аминокислоты —> белки" — их вторичный синтез из продуктов распада. Значение этой схемы состоит в том, что она обнаруживает единство противоположных процессов — распада и синтеза белков. Как видно из схемы, аминокислоты растений имеют двоякое происхождение: они возникают и в результате синтеза (аминирование оксокислот), и в результате распада белков.

Рис. 6.15. Цикл Д. Н. Прянишникова

По мнению Д. Н. Прянишникова, аммиак можно назвать альфой и омегой, т. е. начальным и конечным этапом азотного обмена в растении. Аммиак отщепляется от аминокислот и является последним продуктом их распада. Он же оказывается и тем соединением, с которого начинается синтез в растении азотистых веществ из безазотистых. Д. Н. Прянишников считал, что главные продукты этого синтеза — аспарагин и глутамин. Однако впоследствии было показано, что глутамин значительно быстрее включается в растениях в клеточный метаболизм, биосинтез аминокислот, нуклеиновых кислот и других азотистых соединений.

Движущей силой этого цикла служит содержание сахаров. Часть углеводов, образующихся в процессе фотосинтеза, транспортируется в корни, где они, включаясь в гликолиз и цикл Кребса, превращаются в оксокислоты, способные связывать аммиак и превращаться в аминокислоты. Если фотосинтез идет быстро, то в корнях накапливаются углеводы и создаются условия для синтеза белка; если медленно — для распада белка.

В молодых растениях синтез аминокислот в корнях может идти так быстро, что сахара не успевают накапливаться в их клетках, хотя в корни из листьев может оттекать от 18 до 50% ассимилятов. В неблагоприятных условиях (обезвоживание, перегрев и пр.) сахара накапливаются в листьях. Это накопление сахаров в листьях предупреждает в них распад белка, но уменьшает отток ассимилятов в корни.