Роль і функціональне значення білків у життєдіяльності рослин

Функції білків в організмі надзвичайно важливі та різноманітні. Кожен білок як речовина з певною хімічною будовою виконує одну вузькоспеціалізовану функцію і лише в окремих випадках – кілька взаємопов'язаних. До найважливіших функцій білків у рослинах слід віднести такі: 1) каталітичну; 2) запасну; 3) структурну; 4) захисну; 5) транспортну; 6) регуляторну.

Каталітична або ферментативна функція. Усі хімічні перетворення в клітині відбуваються за участю каталітично активних білків, що називаються ферментами. Вони становлять найбільш різноманітний і найбільш високоспеціалізований клас білків. На сьогодні відкрито понад 2000 різних ферментів, кожен з яких має унікальну структуру і містить активний центр, здатний "впізнавати свою" молекулу та вибірково взаємодіяти з нею.

Запасна функція. Білок являє собою високовідновлену сполуку з великим запасом енергії. При окисненні 1 г білка вивільняється 23 кДж енергії. Для порівняння наведемо калорійність інших речовин, що також відкладаються в запас у рослинних клітинах: глюкоза – 15,5 кДж/г, крохмаль – 17,6, жир – 38,2 кДж/г. Висока якість білка як поживного матеріалу зумовлена і тим, що на відміну від інших запасних речовин, у його молекулі є азот. Запасні білки у великих кількостях накопичуються в клітинах насіння при дозріванні на рослині, а потім при проростанні насіння гідролізуються до амінокислот або низькомолекулярних пептидів, що використовуються потім клітиною для формування нової рослини на ранніх стадіях розвитку. Найбільш відомими прикладами таких білків слугують білки зернівок пшениці, кукурудзи та рису. Якість рослинницької продукції оцінюють не лише за вмістом, а й за перетравністю білків. Біологічна цінність білків визначається, насамперед, їхнім амінокислотним складом. Якщо прийняти за 100 % цінність білка молока або яйця, то біологічна цінність білків зерна рису становитиме 83-86 %, вівса – 70-78 %, жита – 68-75 %, пшениці – 62-68 %, кукурудзи – 52-58 %. Нижча біологічна цінність білка зерна кукурудзи зумовлена тим, що він бідний на незамінні амінокислоти лізин і триптофан.

Захисна функція. Багато білків захищають рослину від вторгнення інших організмів або оберігають її від пошкоджень. Захисна (імунна) функція білків реалізується антитілами, інтерферонами, а також токсичними білками, що виробляються рослиною. Антитіла – сполуки білкової природи, синтез яких посилюється в процесі імунної відповіді – реакції організму на проникнення у внутрішнє середовище сторонніх білків або інших чужорідних компонентів високомолекулярних вуглеводів. Антитіла, з'єднуючись з антигеном, утворюють нерозчинний комплекс, роблячи антиген безпечним для організму. Інтерферони – глікопротеїни, що синтезуються клітиною після проникнення в неї вірусу. На відміну від антитіл, інтерферони взаємодіють не з антигеном, а викликають утворення внутрішньоклітинних ферментів. Вони блокують синтез внутрішніх білків, перешкоджаючи копіюванню вірусної інформації. Це призупиняє розмноження вірусу.

Надзвичайно цікавими є білки-лектини, що володіють аглютинуючими, склеювальними властивостями стосовно багатьох речовин вуглеводної природи, у тому числі глікопротеїнів патогенних грибів і бактерій. Ці білки знаходяться на поверхні клітинної мембрани і навіть проникають у клітинну стінку. Вони дуже специфічні стосовно різних видів інфекції: у листках яблуні є білки, що "впізнають" навіть окремі штами бактерій. Лектини специфічно зв'язують патогенні бактерії, утворюючи при цьому ніби тромб, що запобігає подальшому поширенню хвороби. Відома здатність білків із зародків пшениці, специфічних до олігомерів хітину, зв'язувати спори та кінчики гіф. Лектини з бобів сої та арахісу специфічно зв'язують, перешкоджаючи розтягуванню їхнього міцелію. Захисні білки оберігають живий організм від руйнування або сприяють його виживанню при пошкодженні. Захисна функція білків-токсинів, що виробляються рослинами, полягає в тому, що вони оберігають рослини від поїдання їх тваринами, а також інгібують протеолітичні ферменти комах-шкідників, що пошкоджують насіння багатьох рослин. Різні за імунними властивостями об'єкти відрізняються як за кількістю та якістю білків, наявних у здоровому організмі, так і за тими змінами, що відбуваються у білковому спектрі після зараження. Велика поживна цінність білків почасти пояснює той факт, що часто рослини, які містять велику кількість білкового азоту, краще протистоять захворюванням. Наприклад, при зберіганні сільськогосподарської продукції втрати у таких сортів нижчі, ніж у тих, які містять менше білка (табл. 5; Рубин Б.А., Арциховская Е.В., Аксенова В.А., 1975).

Таблиця 5 – Розподіл форм азоту в листках качанів капусти, що зберігаються, % загального азоту

 Сорт Дата Білковий Амінний азот азот Амагер (стійкий) 03.12 47,0 32,7 13.04 37,5 42,3 Номер перший (нестійкий) 03.12 39,4 39,0 13.04 10,2 58,3

У якісному відношенні білки стійких форм часто мають у своєму складі багато амінокислот, що погано переносяться тим чи іншим патогеном. Наприклад, фітофтора "не любить" білки з великим вмістом аргініну. Водночас сорти винограду, що легко хворіють на антракноз, відрізняються підвищеним вмістом аспарагіну порівняно зі стійкими. Цікаво, що не тільки склад, а й структура білкових форм, стійких і нестійких до інфекції, різна. Так, у клітинах картоплі, стійкої до раку, виявлено білки з надзвичайно щільною, жорсткою глобулою. Найактивніше протистоять інфекції так звані антиферменти, здатні інгібувати ферменти паразита: із насіння злаків виділено інгібітори α-амілаз грибів; ферменти глюконази, хітинази викликають мацерацію, тобто розм'якшення (роз'єднання) міцелію багатьох грибів-паразитів.

Набір білків, відповідальних за імунні властивості організмів, змінюється в процесі еволюції. Це відбувається у відповідь на появу у патогенів нових білків, що завдають шкоди рослині. Таким чином, відбувається паралельний розвиток властивостей вірулентності у патогена та стійкості у рослини, зумовлених головним чином специфікою їхніх білків.

Структурна (пластична) функція. Понад половину сухої маси цитоплазми та її органел становлять білки. Структурні білки входять до складу покривних тканин рослин, у тому числі насіння і плодів. У комплексі з ліпідами вони становлять також структурну основу біомембран клітин, забезпечуючи збереження органелами клітини необхідної послідовності біохімічних реакцій.

Транспортна функція. До цієї групи належать білки, що здійснюють зв'язування і транспорт речовин між тканинами через мембрани клітин. Згідно з концепцією переносників, проходження речовин через мембрани здійснюється за допомогою спеціальних білкових молекул-переносників, розташованих безпосередньо в мембранах. Іон проходить через мембрану не у вільному вигляді, а з'єднавшись на її зовнішній поверхні з переносником. Ні сам переносник, ні його комплекс з іоном не може перейти у зовнішнє середовище. Однак комплекс переносника з іоном рухливий у самій мембрані і пересувається до її протилежного боку. Тут цей комплекс розпадається і вивільняє іон у внутрішнє середовище, а сам переносник знову пересувається до зовнішнього боку мембрани, де знову з'єднується з іншим іоном. Переносники специфічні, тобто беруть участь у перенесенні певних іонів і тим самим забезпечують вибірковість надходження речовин у клітину.

Щодо механізму пересування переносника в мембрані існує три гіпотези: 1) переносник дифундує; 2) переносник ковзає (передбачаючи наявність у мембрані пор, у цьому випадку він мігрує стінками пори); 3) переносник повертається в мембрані (рис. 8; Якушкіна Н.І., 1980).

Регуляторна функція. Деякі білки беруть участь у системі регуляції клітинної або фізіологічної активності. До них належать багато гормонів, що регулюють обмін глюкози, транспорт іонів кальцію і фосфат-іонів.

Рис. 8. Механізми дії мембранних переносників:

А – дифундуючі; Б – ті, що обертаються; В – ковзаючі

Гормони регулюють обмін речовин всередині клітин та інтегрують обмін у різних клітинах організму в цілому. До регуляторних білків може бути віднесений монелін, що синтезується однією з африканських рослин, який використовується для підсолоджування їжі. Вживання в їжу монеліну запобігає ожирінню людини і тварин.