Роль и функциональное значение белков в жизнедеятельности растений

Функции белков в организме чрезвычайно важны и многообразны. Каждый белок как вещество с определенным химическим строением выполняет одну узкоспециализированную функцию и лишь в отдельных случаях – несколько взаимосвязанных. К важнейшим функциям белков в растениях следует отнести следующие: 1) каталитическую; 2) запасную; 3) структурную; 4) защитную; 5) транспортную; 6) регуляторную.

Каталитическая или ферментативная функция. Все химические превращения в клетке протекают при участии каталитически активных белков, называемых ферментами. Они составляют самый многообразный и наиболее высокоспециализированный класс белков. К настоящему времени открыто более 2000 различных ферментов, каждый из которых обладает уникальной структурой и содержит активный центр, способный "узнавать свою" молекулу и избирательно взаимодействовать с ней.

Запасная функция. Белок представляет собой высоковосстановленное соединение с большим запасом энергии. При окислении 1 г белка освобождается 23 кДж энергии. Для сравнения приведем калорийность других веществ, также откладывающихся в запас в растительных клетках: глюкоза – 15,5 кДж/г, крахмал – 17,6, жир – 38,2 кДж/г. Высокое качество белка как питательного материала обусловлено и тем, что в отличие от других запасных веществ в его молекуле имеется азот. Запасные белки в больших количествах накапливаются в клетках семян при созревании на растении, а затем при прорастании семян гидролизуются до аминокислот или низкомолекулярных пептидов, используемых затем клеткой для формирования нового растения на ранних стадиях развития. Наиболее известными примерами таких белков служат белки зерновок пшеницы, кукурузы и риса. Качество растениеводческой продукции оценивают не только по содержанию, но и по переваримости белков. Биологическая ценность белков определяется, прежде всего, их аминокислотным составом. Если принять за 100 % ценность белка молока или яйца, то биологическая ценность белков зерна риса составит 83-86 %, овса – 70-78 %, ржи – 68-75 %, пшеницы – 62-68 %, кукурузы – 52-58 %. Более низкая биологическая ценность белка зерна кукурузы обусловлена тем, что он беден незаменимыми аминокислотами лизином и триптофаном.

Защитная функция. Многие белки защищают растение от вторжения других организмов или предохраняют его от повреждений. Защитная (иммунная) функция белков реализуется антителами, интерферонами, а также вырабатываемыми растением токсичными белками. Антитела – соединения белковой природы, синтез которых усиливается в процессе иммунного ответа – реакции организма на проникновение во внутреннею среду посторонних белков или других инородных компонентов высокомолекулярных углеводов. Антитела, соединяясь с антигеном, образуют нерастворимый комплекс, делая антиген безопасным для организма. Интерфероны – гликопротеины, синтезирующиеся клеткой после проникновения в нее вируса. В отличие от антител, интерфероны взаимодействуют не с антигеном, а вызывают образование внутриклеточных ферментов. Они блокируют синтез внутренних белков, препятствуя копированию вирусной информации. Это приостанавливает размножение вируса.

Чрезвычайно интересны белки-лектины, обладающие агглютинирующими, склеивающими свойствами по отношению ко многим веществам углеводной природы, в том числе гликопротеинам патогенных грибов и бактерий. Эти белки находятся на поверхности клеточной мембраны и даже проникают в клеточную стенку. Они очень специфичны в отношении различных видов инфекции: в листьях яблони есть белки, "узнающие" даже отдельные штаммы бактерий. Лектины специфически связывают патогенные бактерии, образуя при этом как бы тромб, предотвращающий дальнейшее распространение болезни. Известна способность белков из зародышей пшеницы, специфичных к олигоморам хитина, связывать споры и кончики гиф Лектины из бобов сои и арахиса специфически связывают и препятствуя растяжению их мицелия. Защитные белки предохраняют живой организм от разрушения или способствуют его выживанию при повреждении. Защитная функция белков-токсинов, вырабатываемых растениями, заключается в том, что они предохраняют растения от поедания их животными, а также ингибируют протеолитические ферменты насекомых-вредителей, повреждающих семена многих растений. Различные по иммунным свойствам объекты отличаются как по количеству и качеству белков, имеющихся в здоровом организме, так и по тем изменениям, которые происходят в белковом спектре после заражения. Большая питательная ценность белков отчасти объясняет тот факт, что часто растения, содержащие большое количество белкового азота, лучше противостоят заболеваниям. Например, при хранении сельскохозяйственной продукции потери у таких сортов ниже, чем у тех, которые содержат меньше белка (табл. 5; Рубин Б.А., Арциховская Е.В., Аксенова В.А., 1975).

Таблица 5 – Распределение форм азота в листьях хранящихся кочанов капусты, % общего азота

 Сорт Дата Белковый Аминный азот азот Амагер (устойчивый к 03.12 47,0 32,7 13.04 37,5 42,3 Номер первый (неустойчивый) 03.12 39,4 39,0 13.04 10,2 58,3

В качественном отношении белки устойчивых форм часто имеют в своем составе много аминокислот, плохо переносимых тем или иным патогеном. Например, фитофтора "не любит" белки с большим содержанием аргинина. В то же время легко заболевающие антракнозом сорта винограда отличаются повышенным содержанием аспарагина по сравнению с устойчивыми. Интересно, что не только состав, но и структура белковых форм, устойчивых и не устойчивых к инфекции, различна. Так, в клетках картофеля, устойчивого к раку, обнаружены белки с необыкновенно плотной, жесткой глобулой. Наиболее активно противостоят инфекции так называемые анти-ферменты, способные ингибировать ферменты паразита: из семян злаков выделены ингибиторы α-амилаз грибов; ферменты глюконазы, хитиназы вызывают мацерацию, т. е. размягчение (разъединение) мицелия многих грибов-паразитов.

Набор белков, ответственных за иммунные свойства организмов, изменяется в процессе эволюции. Это происходит в ответ на появление у патогенов новых белков, причиняющих вред растению. Таким образом, происходит параллельное развитие свойств вирулентности у патогена и устойчивости у растения, обусловленных главным образом спецификой их белков.

Структурная (пластическая функция). Более половины сухой массы цитоплазмы и ее органелл принадлежит белкам. Структурные белки входят в состав покровных тканей растений, в том числе семян и плодов. В комплексе с липидами они составляют также структурную основу биомембран клеток, обеспечивая сохранение органеллами клетки необходимой последовательности биохимических реакций.

Транспортная функция. К этой группе относятся белки, осуществляющие связывание и транспорт веществ между тканями через мембраны клеток. Согласно концепции переносчиков, прохождение веществ через мембраны осуществляется с помощью специальных белковых молекул-переносчиков, расположенных непосредственно в мембранах. Ион проходит через мембрану не в свободном виде, а соединившись на ее внешней поверхности с переносчиком. Ни сам переносчик, ни его комплекс с ионом не может перейти во внешнюю среду. Однако комплекс переносчика с ионом подвижен в самой мембране и передвигается к ее противоположной стороне. Здесь этот комплекс распадается и высвобождает ион во внутреннюю среду, а сам переносчик снова передвигается к внешней стороне мембраны, где вновь соединяется с другим ионом. Переносчики специфичны, т. е. участвуют в переносе определенных ионов и тем самым обеспечивают избирательность поступления веществ в клетку.

Относительно механизма передвижения переносчика в мембране существует три гипотезы: 1) переносчик диффундирует; 2) переносчик скользит (предполагая наличие в мембране пор, в этом случае он мигрирует по стенкам поры); 3) переносчик поворачивается в мембране (рис. 8; Якушкина Н.И., 1980).

Регуляторная функция. Некоторые белки участвуют в системе регуляции клеточной или физиологической активности. К ним относятся многие гормоны, регулирующие обмен глюкозы, транспорт ионов кальция и фосфат-ионов.

Рис. 8. Механизмы действия мембранных переносчиков:

А – диффундирующие; Б – вращающиеся; В – скользящие

Гормоны регулируют обмен веществ внутри клеток и интегрируют обмен в различных клетках организма в целом. К регуляторным белкам может быть отнесен монеллин, синтезируемый одним из африканских растений, который используется для подслащивания пищи. Употребление в пищу монеллина предотвращает ожирение человека и животных.