В большинстве продуктов растительного происхождения содержатся так называемые балластные вещества, не перевариваемые в желудочно-кишечном тракте,- клетчатка и пектин. Однако они необходимы человеку. Если пища бедна ими, возникают атония кишечника и запоры. Таким образом, клетчатка является регулятором двигательной функции кишечника.
Клетчатка улучшает работу кишечника, замедляет гнилостные процессы и газообразование, уменьшает всасывание некоторых вредных веществ. Так, например, для профилактики профессиональных заболеваний у работающих с солями металлов и с радиоактивными веществами рекомендуется употреблять в пищу красную смородину , которая содержит много пектинов.
Клетчатка (целлюлоза) - полисахарид, составляющий главную массу клеточных стенок растений. Клетчатка нерастворима в воде, она лишь набухает в ней. Клетчатка составляет более 50% древесины. В волокнах хлопка она составляет более 90%. При кипячении с крепкой серной кислотой клетчатка нацело превращается в глюкозу. При более слабом гидролизе из клетчатки получается целлобиоза.
В молекуле клетчатки остатки целлобиозы связаны гликозидными связями в виде длинной цепочки. Молекулярная масса клетчатки точно не установлена. Полагают, что клетчатка не является индивидуальным веществом, а представляет собой смесь гомологичных веществ. Молекулярные массы клетчатки, полученной из различных источников, весьма сильно колеблются: хлопок - 330 000 (в цепочке 2020 гликозидных остатков); рами - 430 000 (2660 остатков), еловая древесина - 220 000 (1360 остатков). С помощью рентгеноструктурного анализа установлено, что молекулы клетчатки имеют нитевидную форму. Эти нитевидные молекулы соединяются в пучки - мицеллы. Каждая мицелла состоит приблизительно из 40-60 молекул клетчатки.
Соединение отдельных молекул клетчатки в мицеллы происходит благодаря водородным связям, которые осуществляются как за счет водородных атомов гидроксильных групп клетчатки, так и за счет адсорбированных клетчаткой молекул воды. В клеточных стенках растений мицеллы клетчатки связаны водородными связями с различными гетерополисахаридами. Например, у белого клена ими являются соединенные между собой гликозидными связями ксилоглюкан, состоящий из остатков глюкозы, ксилозы, галактозы и фукозы; арабиногалактан, построенный из остатков арабинозы и галактозы; рамногалактуронан, образованный остатками галактуроновой кислоты и рамнозы. Кроме того, имеются данные о том, что в построении клеточной стенки растений, особенно на ранних этапах ее образования, принимает участие также особый, богатый оксипролином гликопротеид экстензин. При одревеснении клеточных стенок в них накапливается также лигнин.
Клетчатка не переваривается в желудочно-кишечном тракте человека. Она, переваривается лишь жвачными животными, в желудке которых имеются особые бактерии, гидролизующие клетчатку с помощью выделяемого ими фермента целллюлазы.
Гемицеллюлозы (полуклетчатки). Под этим названием объединяют большую группу высокомолекулярных полисахаридов, не растворяющихся в воде, но растворимых в щелочных растворах. Гемицеллюлозы содержатся в значительном количестве в одревесневших частях растений: соломе, семенах, орехах, древесине, кукурузных початках. Большое количество гемицеллюлоз содержится в отрубях. Гемицеллюлозы гидролизуются кислотами легче, чем клетчатка. При этом они образуют маннозу, галактозу, арабинозу или ксилозу и поэтому соответственно носят названия - маннаны, галактаны и пентозаны (арабан или ксилан).
1 УДК:581.19: БИОСИНТЕЗ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ: СОВРЕМЕННЫЙ ВЗГЛЯД И КОНЦЕПЦИИ В.В. Титок 1, В.Н. Леонтьев 2, И.В. Федоренко 3, С.В. Кубрак 1, С.И. Юренкова 1, З.Е. Грушецкая 1 1 Институт генетики и цитологии НАН Беларуси, Минск, Республика Беларусь 2 Белорусский государственный технологический университет, Минск, Республика Беларусь 3 Белорусский государственный университет, Минск, Республика Беларусь Понимание биосинтеза полисахаридных компонентов клеточной стенки, а именно целлюлозы привлекает большое внимание исследователей в свете фундаментальной важности этих молекул не только для функционирования растения, но и для человека. Целлюлоза является самым распространенным биополимером на Земле. Многие производства зависят от целлюлозы, поскольку являются неотъемлемой частью продукции волокна для текстиля и бумажной продукции, диетической клетчатки и древесины для строительных материалов. Цель данной работы анализ современных моделей биосинтеза целлюлозы в клеточных стенках растений, оценка экспрессии генов целлюлозосинтазы и активности сахарозосинтазы у льна-долгунца в ходе онтогенеза. Целлюлоза полисахарид, макромолекулы которого построены из остатков D-глюкозы (рис. 1A). В зависимости от источника, из которого получена целлюлоза, ее кристаллическое состояние, степень кристалличности и молекулярный вес варьируют. Кристаллическое состояние целлюлозы определяется расположением глюкановых цепей по отношению друг другу в элементарной ячейке. В природе большое количество целлюлозы продуцируется в виде кристаллической целлюлозы целлюлозы I. Глюкановые цепи в целлюлозе I параллельны друг другу и упакованы бок о бок для образования микрофибрилл, которые у большинства растений достигают 3 nm толщины. В целлюлозе I обнаружены два кристаллических субаморфа (Iα и Iβ), отличающиеся друг от друга по кристаллической упаковке, молекулярной конформации и водородным связям. Макромолекулы целлюлозы в волокнах образуют агрегаты, являющиеся элементами надмолекулярной структуры. В продольном направлении молекулярные цепи целлюлозы проходят через большое число аморфных и кристаллических (длиной нм) областей (рис. 1B). Элементарные фибриллы являются ассоциатами макромолекул диаметром до 3,5-4,0 нм, состоящие приблизительно из 36 цепей 1,4-β-глюкана. Они образуют более крупные объединения с поперечным сечением до нм микрофибриллы (рис. 1C).
2 Микрофибриллы находятся в матриксе из гемицеллюлоз (ксилоглюкан, ксилан, глюкоманан, арабиноксилан) и пектиновых полисахаридов (арабинан, гомогалактарунан, галактан, рамногалактарунан) и являются фундаментом клеточных стенок, обеспечивая механическую прочность и контроль в ходе расширения клетки в ходе развития растения.
3 Рисунок 1. Структурная модель микрофибриллы целлюлозы : А молекулярная цепь целлюлозы, состоящая из остатков D-глюкозы; В кристаллическая область цепи целлюлозы; С микрофибрилла целлюлозы, состоящая из β-(1,4)-глюкановых цепей.
4 Клеточные стенки в зависимости от стадии роста могут быть первичными и вторичными (рис. 2). Первичная клеточная стенка с толщиной до 100 нм существует во время роста клетки растяжением. Она эластична, что позволяет клеткам увеличиваться в размерах. После остановки роста клетки первичная клеточная стенка, как правило, заменяется вторичной менее эластичной, по толщине намного превосходящей первичную. Целлюлозные волокна в первичной клеточной стенке располагаются хаотично относительно друг друга. Микрофибриллы целлюлозы во вторичной стенке ориентированы более параллельно, по сравнению с первичной и имеют определенный угол по отношению к оси клетки. Вторичная стенка волокна обычно состоит из трех слоев: S 1, S 2, и S 3. Каждый слой имеет различный микрофибрильный угол: в S 1 и S 3 почти поперечный к оси клетки, а в слое S 2, который занимает почти 80% всей стенки, Рисунок 2. Структура первичной и вторичной клеточных стенок льна .
5 Образование целлюлозы происходит в плазматической мембране. Структуры, ответственные за синтез целлюлозы, были идентифицированы с помощью электронного микроскопа . У растений это розеточный терминальный комплекс (рис. 3A). Розетка имеет диаметр приблизительно 24 nm и представляет собой шестикратную, симметричную упаковку каталитических субъединиц. На основании ультраструктурных исследований появилась возможность создания модели сборки розетки. Существует две основные схемы сборки этого комплекса: 1) розетки собираются в аппарате Golgi и затем транспортируются в виде Golgi-везикул в плазматическую мембрану ; 2) ферментный комплекс, участвующий в синтезе β-1,4-глюкановых цепей и имеющий массу >500 kda, формируется непосредственно на плазматической мембране из предшественников, которые производятся в Golgi-везикулах . Внутри каждого комплекса помимо каталитических субъединиц присутствуют другие компоненты, участвующие в процессах снабжения субстратом, инициации и терминации удлинения цепи или в регуляции активности этого образования. Основываясь на современном представлении синтеза целлюлозы, UDP-глюкоза используется для связывания активной зоны ферментного комплекса на цитолазматической поверхности плазматической мембраны с полисахаридом, который продавливается через мембрану, предположительно через структуру пор, вовнутрь клеточной стенки . Ферментный комплекс розетки растений состоит из субъединиц целлюлозосинтазы (рис. 3A). Впервые целлюлозосинтаза на молекулярном уровне была идентифицирована у целлюлозопродуцирующих бактерий Agrobacter xylinum .
6 Рисунок 3. Схематическое изображение розеточного терминального комплекса : A гексаметрическая розетка, включающая шесть розеточных субъединиц, каждая из которых состоит из шести CesA белков; B CesA белок, состоящий из трансмембранных доменов (TMD) с N- и C-терминалами и активной зоны, находящейся в цитоплазме. Последовательности ДНК, кодирующие целлюлозосинтезы у растений, были обнаружены после сиквенирования из случайных аналогов cdna банка хлопкового волокна . Растительные целлюлозосинтазы мембранно-связанные белки с 8 трансмембранными завитками: два на N-конце и шесть на C-конце (рисунок 3B), ограничивающие центральный цитоплазматический домен, а также области, которые отсутствуют у бактериальных копий, и содержат две большие инсерции внутри центрального домена: одна «консервативная зона» (CR-P), другая «гипервариабельная зона» (HVR) . Целлюлозосинтаза хлопка содержит цинк-связанный домен в N-терминале .
7 Гены, кодирующие целлюлозосинтазы (CesA), идентифицированы у более, чем 170 разновидностей растений. При изучении генома Arabidopsis, обнаружено, что это растение имеет 10 генов целлюлозосинтаз и 30 генов подобных целлюлозосинтазе (Csl) . Анализ генной экспрессии CesA в тканях листьев на различных стадиях онтогенеза растений и в различных условиях выращивания в большинстве случаев не выявил значительных различий. Однако было обнаружено, что в процессе роста клетки экспрессируются различные гены: одни активизируются при синтезе целлюлозы в первичной, а другие во вторичной клеточной стенке . Взаимосвязь между этими генами наблюдалась при изучении целлюлозо-дефицитных мутантов. У Arabidopsis гены CesA1, CesA3 и CesA6 экспрессируются во время синтеза целлюлозы в первичной клеточной стенке , а CesA4, CesA7 и CesA8 во вторичной клеточной стенке . Аналогичные результаты получены и на других растениях . На основании этих данных предположили, что у растений для образования функциональной розетки необходимы три различных генных продукта CesA , так как мутация в любом из них приводила к потере структуры микрофибриллы целлюлозы. Методом инфракрасной микроспектроскопии были выявлены различия в составе клеточной стенки интактных и мутантных растений, которые состояли в уменьшение у мутантов количества кристаллической целлюлозы и комплементарном увеличении содержания структурных белков . К настоящему времени созданы гипотетические модели, показывающие расположение различных субъединиц CesA белков в розетке, но все еще недостаточно экспериментальных данных, подтверждающие эти концепции. Одна из них основана на том, что для сборки розетки целлюлозосинтазы необходимо два этапа: образование линейных комплексов, состоящих из шести частиц, которые включают три различные гомодимера (каждый димер состоит из одной целлюлозосинтазы), происходит внутри цитоплазматической основы розеточной структуры; линейные комплексы выстраиваются в розетке с шестикратной симметрией. По другой концепции сборка линейных комплексов в розетку осуществляется в эндоплазматической сети и аппарате Golgi, затем собранная розетка транспортируется к плазматической мембране для активации и синтеза микрофибриллы . По современным представлениям биосинтез целлюлозы последовательный процесс полимеризации, кристаллизации и экструзии . Существует 4 модели этого процесса (рис. 4). Первая модель основывается на том, что каталитический участок целлюлозосинтазы и UDP-глюкоза находятся в цитоплазме, а образовавшиеся
8 глюкановые цепи транспортируются во внеклеточное пространство через структуру подобную поре, которая может быть частью каталитической субъединицы или комплексом из многих субъединиц, а для экструзии необходимо функционирование каталитической субъединицы и связанных белков (рис. 4А). Во второй модели каталитический участок целлюлозосинтазы ориентирован к внеклеточному пространству, где и осуществляется полимеризация (рис. 4В). Транспортные белки могут включаться в перенос UDP-глюкозы и использоваться при полимеризации глюкановой цепи. В третьей модели для биосинтеза целлюлозы необходим липидный интермедиатор, который образуется на цитоплазматической поверхности клетки с помощью гликозилтрансферазы (рис. 4С). Полимеризация глюкановой цепи происходит в цитоплазме, а для ее экструзии требуются связанные белки. В четвертой модели для биосинтеза целлюлозы необходимы, по крайней мере, две гликозилтрансферазы, каталитические участки которых локализованы на цитоплазматической и внецитоплазматической поверхностях клетки (рис. 4D).
9 Рисунок 4. Гипотетические модели биосинтеза целлюлозы : A первая модель каталитическая область CesA белка находится в цитоплазме, β-(1,4)-глюкановая цепь
10 проходит через плазматическую мембрану во внеклеточное пространство; B вторая модель каталитическая область расположена на поверхности клетки, UDP-глюкозу поставляют какие-то белки;.c третья модель липидный интермедиатор участвует в образовании гликозидной связи в молекулярной цепи целлюлозы; D четвертая модель комбинация моделей 2 и 3. По этой модели, глюкоза передается от UDP-глюкозы к мембранному липиду на цитоплазматической поверхности для образования липидо-глюкозы или липидо-олигосахаридного комплекса, который может быть прикреплен к мембране. Гликозилтрансфераза, расположенная в мембране с каталитическим участком, находящимся снаружи, используется для присоединения интермедиатора и завершения реакции полимеризации, которая происходит во внецитоплазматическом пространстве. Полученные к настоящему времени данные указывают, что модель 1 является наиболее оптимальной для объяснения биосинтеза целлюлозы. Модели 3 и 4 также могут быть реальными, однако роль липидов в этом процессе еще не достаточно аргументирована. Известно, что для биосинтеза целлюлозы необходимы сахара, поэтому изучение ферментов, участвующих в метаболизме сахарозы, является актуальным, так как точная их локализация и пространственно-временная регуляция во время роста и развития растений еще недостаточно изучены. Зависимость биосинтеза целлюлозы от сахарозы подтверждена многочисленными данными и показано, что повторное использование UDP может усилить активность этого процесса . Основную роль при распаде сахарозы в тканях растений играет фермент сахарозосинтаза (SuSy, К.Ф). Преимущество разложения сахарозы с помощью SuSy по сравнению с инвертазой состоит в том, что энергия гликозидной связи сохраняется в UDP-глюкозе, которая является субстратом для синтеза целлюлозы бактериями , во время инициации заложения хлопкового волокна и образования его вторичной стенки . SuSy в клетке находится в виде растворимой (S-SuSy) и мембранно-связанной (P-SuSy) формах. Высокая активность S-SuSy обнаружена в цитоплазме различных растительных тканей, где ее продукты используются в общем метаболизме клетки и для синтеза запасных полимеров типа крахмала . P-SuSy, обнаруженная во вторичной клеточной стенке, что согласуется с ориентированным синтезом микрофибрилл целлюлозы, обеспечивает канальную проводимость UDP-глюкозы к целлюлозе на плазматической мембране. Биохимический анализ выявил высокую концентрацию фермента на поверхности волокна около кортикальных микротрубочек в непосредственной близости к участку биосинтеза целлюлозы в
11 плазматической мембране . Количество P-SuSy in vivo является переменным, что обусловлено стадией развития растений . Основным ферментом биосинтеза целлюлозы является целлюлозосинтаза (Ces, К.Ф). Изучение активности этого фермента сопряжено с большими трудностями, одна из которые заключается в выделения функционально активной целлюлозосинтазы. Поэтому нами было проведено изучения экспрессии генов, кодирующих субъединицы целлюлозосинтазы в клеточных стенках льна. Анализ нуклеотидных последовательностей EST (Expressed Sequence Tag) шести субъединиц CesA, зарегистрированных в GenBank (EF EF410000, EF EF214744) позволил сконструировать праймеры, специфичные к фрагменту кднк определенной субъединицы СesA. Амплификация кднк растений льна со специфическими праймерами к генам CesA-1 и CesA-6 дала возможность идентифицировать фрагменты ожидаемого молекулярного размера (201 и 300 п.н. соответственно) (рис. 5). M Рисунок 5. ПЦР фрагменты, полученные при амплификации ДНК и кднк льна со специфическими CesA-6 (1-4) и CesA-1 (5,6) праймерами. 1, 2, 5 ДНК; 3, 4, 6 кднк. M маркер молекулярного веса (1 kb DNA ladder (BRL)). Стрелки показывают кднк маркеры к CesA генам. При амплификации сконструированных праймеров с ДНК льна были получены более тяжелые продукты, размером около 300 п.н. для CesA-1 и 400 п.н. для CesA6, что может свидетельствовать о наличии интрона в амплифицируемой области (рис. 6). Разработанные молекулярные маркеры, идентифицирующие эти гены, позволили
12 достоверно идентифицировать данные локусы на кднк льна и сравнить уровень их экспрессии с помощью количественной Real-time PCR. Рисунок 6. Фрагмент CesA-6 EST последовательность (стрелка указывает SNP сайт).
13 В связи с тем, что SuSy играет основную роль в образовании каналов UDP-глюкозы к целлюлозосинтазе во время образования клеточных стенок, нами было проведено изучение активности этого фермента. Высокая активность SuSy, обнаруженная у льна-долгунца на стадии быстрого роста, может указывать на активизацию процессов синтеза целлюлозы в ходе элонгации первичных и образования вторичных клеточных стенок в листьях и стеблях растений, а также, что особенно важно, при формировании волокна . Снижение активности SuSy на стадии «цветения» по сравнению с предыдущей стадией может свидетельствовать об уменьшении пула субстратов, образуемых в результате разложения сахарозы с помощью SuSy, которые используются только на процессы поддержания клеточных органелл, так как волокна в стеблях полностью сформированы. Низкая активность фермента на стадии «елочка», по-видимому, обусловлена тем, что в этот период роста лубяные волокна еще не образуются. Эти результаты подтверждаются данными, полученными при термогравиметрическом анализе количественного содержания различных полисахаридов, в том числе целлюлозы, в стеблях льна . Полученные данные позволили обнаружить прямую зависимость величины активности сахарозосинтазы от стадии развития растений льна-долгунца, что свидетельствует об участии этого фермента в качестве молекулярного переключателя в метаболических процессах поддержания, роста и дифференциации, включающие синтез целлюлозы. На основании вышеизложенного можно заключить, что понимание механизма биосинтеза целлюлозы является одним из малоизученных направлений в биологии растений. Простота химической структуры целлюлозы противоречит сложностям, которые связаны с ее биосинтезом и сборкой. В настоящее время все еще недостаточно известно о механизмах и регуляции биохимических стадий синтеза полисахаридов клеточной стенки, а также о взаимодействии компонентов, обеспечивающих клетку функционально активной оболочкой. Поэтому изучение отдельных этапов синтеза целлюлозы позволит расширить представления о биосинтетических процессах при формировании клеточной стенки и даст возможность разработать стратегию для улучшения структуры и качества волокна льна-долгунца. Литература 1. Cosgrove, Daniel J. Cell Walls: Structure, Biogenesis, and Expansion. / In Plant Physiology, 2nd ed. Lincoln Taiz and Eduardo Zeiger, eds P
14 2. Baley, C. Analysis of the flax fibres tensile behaviour and analysis of the tensile stiffness increase / C. Baley // Composites: Part A Vol. 33. P Immunogold labeling of rosette terminal cellulose synthesizing complexes in the vascular plant Vigna angularis / S.Kimura // Plant Cell Vol. 11. P Haigler, C.H., Brown, Jr.R.M. Transport of rosettes from the Golgi apparatus to the plasma membrane in isolated mesophyll cells of Zinnia elegans during differentiation to tracheary elements in suspension culture / C.H. Haigler // Protoplasma Vol P Itoh, T., Brown, Jr.R.M. Development of cellulose synthesizing complexes in Boergesenia and Valonia / T. Itoh // Protoplasma Vol P Brown, R.M.Jr., Saxena, I.M. Cellulose biosynthesis: A model for understanding the assembly of biopolymers / R.M.Jr. Brown // Plant Physiol. Biochem Vol. 38. P Biosynthesis of plant cell wall polysaccharides a complex process / O. Lerouxel // Plant Biology Vol. 9. P Ross, P., Mayer, R., Benziman, M. Cellulose biosynthesis and function in bacteria / P. Ross // Microbiol. Rev Vol. 55. P Higher plants contain homologs of the bacterial CelA genes encoding the catalytic subunit of the cellulose synthase / J. Pear // Proc. Natl. Acad. Sci. USA Vol. 93. P Saxena, I.M., Brown, R.M.Jr. Cellulоse biosynthesis: current views and evolving concepts / I.M. Saxena // Ann. Bot Vol. 96. P Global expression analysis of CESA and CSL genes in Arabidopsis / T. Hamann // Cellulose Vol. 11. P Delmer, D.P. Cellulose biosynthesis: exciting times for a difficult field of study / D.P. Delmer // Ann. Rev. Plant Physiol. Plant Mol. Biol Vol. 50. P PROCUSTE1 encodes a cellulose synthase required for normal cell elongation specifically in roots and dark-grown hypocotyls of Arabidopsis / M. Fagard // Plant Cell Vol. 12. P Interactions among three distinct CesA proteins essential for cellulose synthesis / N.G. Taylor // Proc. Natl. Acad. Sci. USA Vol P
15 15. Three distinct rice cellulose synthase catalytic sub-unit genes required for cellulose synthesis in the secondary wall / K. Tanaka // Plant Physiol Vol P Cellulose biosynthesis in plants: from genes to rosettes / M.S. Doblin // Plant Cell Physiol Vol. 43. P Kudlicka, K., Brown, Jr.R.M. Cellulose and callose biosynthesis in higher plants. I. Solubilization and separation of (1 3)- and (1 4)-b-glucan synthase activities from mung bean / K. Kudlicka // Plant Physiol Vol P Enhancement of cellulose production by expression of sucrose synthase in Acetobacter xylinum / T. Nakai // Proc. Natl. Acad. Sci. USA Vol. 96. P Carbon partitioning to cellulose synthesis / C.H. Haigler // Plant Mol. Biol Vol. 47. P Rees, T. Sucrose metabolism / In: D.H. Lewis (Ed.) Storage Carbohydrates in Vascular Plants: Distribution, Physiology and Metabolism, Cambridge University Press, Cambridge, UK P Sucrose synthase localization during initiation of seed development and trichome differentiation in cotton ovules / K.D. Nolte // Plant Physiol Vol P Метаболическая модель распределения углеводов в клетке и роль сахарозосинтазы, сахарозофосфатсинтазы и инвертазы в синтезе целлюлозы / В.В. Титок [и др.] // Труды БГТУ. Сер. IV. Химия и технология органических веществ Вып. XV. С Thermogravimetric analysis of the flax bast fibre bundle / V.V. Titok // J. Natural Fibers Vol. 3, N 1: P Summary Cellulose Biosynthesis: Modern View and Conceptions V.V. Titok 1, V.N. Leontiev 2, I.V. Fedorenko 3, S.V. Kubrak 1, Z.E. Grushetskaya 1 S.I. Yurenkova 1 1 Institute of Genetics and Cytology NAS of Belarus, Minsk, Belarus 2 Belarusian State Technological University, Minsk, Belarus 3 Belarusian State University, Minsk, Belarus Modern conceptions of cellulose biosynthesis were analysed in plant cell walls. Specific primers for genes (CesF1 and CesA-6), encoding cellulose synthase subunits, were designed. The developed markers were used for identifying the given loci on flax cdna and the comparative analysis of their expression level. The revealed relationship between the saccharose synthase
16 activity value and a developmental stage of fiber Flax plants points to involvement of this enzyme in metabolic processes of maintenance, growth and differentiation including cellulose biosynthesis.
Оригинальные работы УДК 631.547:581.19:633.521 З.Е. ГРУШЕЦКАЯ, В.А. ЛЕМЕШ, Л.В. ХОТЫЛЕВА ГНУ «Институт генетики и цитологии НАН Беларуси», Минск Е-mail: [email protected] СОЗДАНИЕ СПЕЦИФИЧЕСКИХ
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное автономное учреждение высшего профессионального образования "Казанский (Приволжский) федеральный университет" Институт
Доклады Национальной академии наук Беларуси 2010 май июнь Том 54 3 УДК 631.547:581.19:633.521 Д. В. Галиновский 1, В. Н. Леонтьев 2, Т. В. Никитинская 1, А. П. Райский 2, академик Л. В. Хотылева 1, В.
1 Клетка, её жизненный цикл (множественный выбор) Ответами к заданиям являются слово, словосочетание, число или последовательность слов, чисел. Запишите ответ без пробелов, запятых и других дополнительных
Банк заданий. Погружение 1 9 класс 1. Какое из положений клеточной теории ввел в науку Р. Вирхов? 1) все организмы состоят из клеток 2) всякая клетка происходит от другой клетки 3) каждая клетка есть некое
Доклады Национальной академии наук Беларуси 2012 январь февраль Том 56 1 БИОЛОГИЯ УДК 631.547:581.19:633.521 Д. В. ГАЛИНОВСКИЙ 1, Н. В. АНИСИМОВА 1, В. Н. ЛЕОНТЬЕВ 2, В. В. ТИТОК 3, академик Л. В. ХОТЫЛЕВА
Банк заданий. Погружение 1 10 класс 1. Какое из положений клеточной теории ввел в науку Р. Вирхов? 1) все организмы состоят из клеток 2) всякая клетка происходит от другой клетки 3) каждая клетка есть
Задания для внеаудиторной работы студентов специальности медицинская биохимия 1 курс. Резюме - краткое изложение информации по какому-либо изученному материалу. Необходимо изложить пройденную тему в 5-7
ОГЛАВЛЕНИЕ Предисловие. ЧАСТЬ I. Введение. Предмет клеточной биологии ГЛАВА 1. Клеточная теория Клетка элементарная единица живого Клетка единая система сопряженных функциональных единиц Гомологичность
Контрольная работа по биологии «Молекулярный уровень» 9 класс 1 вариант 1. Мономер ДНК А) аминокислота; Б) нуклеотид; В) моносахариды; Г) глицерин и жирные кислоты. 2. Где располагается наследственный
Клетка ее строение и функции Подумайте! Как зародилась клетка? Что такое клетка? Клетка-это элементарная биологическая система, способна к самообновлению, самовоспроизведению и развитию. Клетка служит
Строение и химический состав бактериальной клетки Строение и химический состав бактериальной клетки Общая схема строения бактериальной клетки показана на рисунке 2. Внутренняя организация бактериальной
Тема 1. Химический состав клетки Задания части А Выберите один ответ, который является наиболее правильным 1. Назовите органические соединения, которые содержатся в клетке в наибольшем количестве (в %
МОЛЕКУЛЯРНАЯ ГЕНТИКА МОЛЕКУЛЯРНАЯ ГЕНЕТИКА. РЕПЛИКАЦИЯ ДНК ЭУКАРИОТ Организм Количество репликонов Средний размер репликона, тыс.п.н. Скорость движения репликативной вилки, п.н./сек. 1 4200 50000 500 40
ТЕМА «Пластический обмен» 1. Готовыми органическими веществами питаются 1) грибы 2) папоротники 3) водоросли 4) мхи 2. Готовыми органическими веществами питаются организмы 1) автотрофы 2) гетеротрофы 3)
Контрольная работа по биологии 9 класс молекулярный уровень >>>
Контрольная работа по биологии 9 класс молекулярный уровень >>> Контрольная работа по биологии 9 класс молекулярный уровень Контрольная работа по биологии 9 класс молекулярный уровень А-обеспечивают транспортную
СТРУКТУРНО- ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ОСНОВЫ РОСТА РАСТЕНИЙ МЕРИСТЕМЫ Меристемы (от греч. «меристос» делимый), или образовательные ткани, обладают способностью к делению и образованию новых клеток За счет меристем
1. К макроэлементам относятся: БЛОК 2 Клетка как биологическая система. 1) кислород, углерод, водород, азот 2) кислород, железо, золото 3) углерод, водород, бор 4) селен, азот, кислород 1) 2. Органоид,
Лекция 2 Строение растительной клетки 1. Структура компонентов растительной клетки, особенности строения в связи с их биологической функцией. 2. Клеточная стенка. Цитоплазма. Ядро. Пластиды. Рибосомы,
Занятие 3. Тема: БИОЛОГИЯ КЛЕТКИ. ПОТОК ВЕЩЕСТВ И ЭНЕРГИИ В КЛЕТКЕ " " 200 г Цель занятия: изучить отличительные признаки про- и эукариотических клеток; изучить анаболическую и катаболическую системы клетки;
КОНСТАНТИНОВ К. Н., НИЖЕГОРОДОВА Т. С., ПЕСТОВ Н. А. ВЛИЯНИЕ УСЛОВИЙ КУЛЬТИВИРОВАНИЯ НА СОДЕРЖАНИЕ АЛЬФА-ФАЗЫ В БАКТЕРИАЛЬНОЙ ЦЕЛЛЮЛОЗЕ Аннотация. Проведено исследование влияния условий биосинтеза бактериальной
10класс Биология погружение 3 Тема: Энергетический обмен. 1. Наибольшее количество энергии освобождается при расщеплении молекул 1) белков 2) жиров 3) углеводов 4) нуклеиновых кислот 2. В бескислородной
Глава 11 Методы анализа генов 1. CS Ферменты рестрикции: a) используются в ПЦР; b) узнают одноцепочечную ДНК; c) узнают и разрезают специфические двуцепочечные последовательности ДНК; d) встречаются у
«Химические основы биологических процессов» * Часть I. Текущие вопросы ТЕМА 1. Что такое жизнь с точки зрения химика. 1. Многообразие и систематика 2. Строение клеток 3. Биологические полимеры три основных
Контрольная работа за первое полугодие в 10 классе. Вариант 1. ЧАСТЬ 1 А1. К прокариотам относятся 1) растения 2) животные 3) грибы 4) бактерии и цианобактерии А2.Принцип комплементарности лежит в основе
Костная ткань человека 1-хрящ, 2-губчатая кость, 3-компактная кость, 4-эпифиз, 5-метафиз, 6-диафиз Костная ткань человека представляет собой сложный композиционный материал с организованной на нескольких
Новосибирский государственный педагогический университет Институт естественных и социально-экономических наук Кафедра зоологии и методики обучения биологии ВОПРОСЫ К ЭКЗАМЕНУ ПО ДИСЦИПЛИНЕ «ЦИТОЛОГИЯ И
Моделирование метаболических путей Стехиометрические модели Плюснина Татьяна Юрьевна Доц-т каф.биофизики Биологического ф-та МГУ Построение метаболической модели: реконструкция метаболических путей: построение
Учитель биологии МБОУ «Гатчинская СОШ 9 с углублённым изучением отдельных предметов» Гуськова С.А. 2017 Клеточный уровень организации жизни 1 Тела всех живых организмов состоят из клеток. Тела большинства
Занятие 6. ПРОЦЕСС ТРАНСЛЯЦИИ Цель занятия: ознакомиться с основными процессами трансляции. 1. Общая схема процесса трансляции и характеристика его отдельных элементов 2. Строение трнк, рибосом, ррнк 3.
«ЦИТОЛОГИЯ» Строение и функции рибосом. Л.В. Малютина Институт фундаментальной медицины и биологии Кафедра зоологии и общей биологии Еmail: [email protected] [email protected] ИСТОРИЧЕСКАЯ
КАРТА ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА ЗНАНИЙ БИОЛОГИЯ 9 класс (1 триместр) Проверяемые понятия и темы: Разделы биологии, раскрывающие общие закономерности организации, значение биологических знаний для познания окружающего
ПО БИОЛОГИИ ОСНОВНЫЕ КЛЕТОЧНЫЕ СТРУКТУРЫ И ИХ КРАТКАЯ ТЕОРИЯ ПРОВЕРКА ЗНАНИЙ ОРГАНОИДЫ ЖИВОТНЫХ И РАСТИТЕЛЬНЫХ КЛЕТОК НАЗВАНИЕ ОСОБЕННОСТИ СТРОЕНИЯ ЯДРО (В ПРОКАРИОТИЧЕСКОЙ КЛЕТКЕ ОТСУТСТВУЕТ) ОКРУЖЕНО
Лекция 1. Биохимия и ее связь с другими науками Строение клеток прокариот и эукариот Биохимия Биохимия (биологическая химия) наука, изучающая входящие в состав организмов органические вещества, их структуру,
Введение в клеточную биологию. Ченцов Ю.С. 4-е изд., перераб. и доп.- М.: ИКЦ "Академкнига", 2004. - 495 с. В книге изложены современные данные о клеточной теории, структуре ядра и хромосом, о функциях
Лекция 7 Хлоропласты строение и функции. Основы фотосинтеза. Митохондрии и хлоропласты как полуавтономные органеллы. Пероксисомы. Растительная клетка с хлоропластами и вакуолью Хлоропласт, вид на срезе
Тема: «Строение клеток эукариот». Выберите один правильный ответ. А1. Митохондрий нет в клетках 1) дрозда 2) стафилококка 3) карася 4) мха А2. В выведении продуктов биосинтеза из клетки участвует 1) комплекс
ВВЕДЕНИЕ В ОБМЕН ВЕЩЕСТВ И ЭНЕРГИИ Жизнедеятельность организмов включает: а) обмен веществ и энергии; б) передача генетической информации; в) механизмы регуляции. Нарушение любого звена приводит к патологии.
Химический состав живого Единство химического состава С,Н,О,N 99% состава живых организмов (органогены) Р,S,Na, K,Ca, Cl,Mg обязательны (макроэлементы) Mn, Fe, Co, Cu, Zn обязательны в микродозах (микроэлементы)
Материал для подготовки 10.2кл. Биология П3 Строение эукариотической клетки". Задание 1 Ферменты, расщепляющие жиры, белки, углеводы синтезируются: на лизосомах на рибосомах в комплексе Гольджи 4) в вакуолях
Этапы формирования и развития представлений о клетке Зарождение понятий о клетке 1590г. Братья Янсены (изобретение микроскопа), 1665г. Р. Гук (ввел термин «клетка»), 1680г. А.Левенгук (открыл одноклеточные
10 класс Контрольная работа по биологии 1 вариант А1. Какой уровень организации живого служит основным объектом изучения цитологии? 1) Клеточный 2) Популяционно-видовой 3) Биогеоценотический 4) биосферный
СОДЕРЖАНИЕ УЧЕБНОГО МАТЕРИАЛА 1. ВВЕДЕНИЕ Предмет и задачи молекулярной биологии. История ее развития и основные достижения. 2. СТРОЕНИЕ И ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ Химический состав
ОСОБЕННОСТИ ОБМЕНА ВЕЩЕСТВ У МИКРООРГАНИЗМОВ Метаболизм, или обмен веществ, совокупность процессов распада и синтеза, обеспечивающих поддержание, рост и размножение организма. Обмен веществ имеет две стороны:
Введение в молекулярную биологию (для информатиков) Александр Предеус Институт биоинформатики Урок 1.1 Основные концепции молекулярной биологии молекулы, составляющие клетку биополимеры: ДНК, РНК, протеины
O, H, C, N + S, P - макроэлементы Na, K, Mg, Ca, Cl - микроэлементы Fe, Zn, Cu, Co, Mn, I, Se следовые элементы Представленность макроэлементов в различных группах веществ Макромолекулы Сахара (углеводы)
12 МЕТОДЫ АНАЛИЗА ГЕНОВ Гены являются молекулярным субстратом наследственности. Структура и локализация генов в геноме определяет свойства организма. При функционировании генома и в результате взаимодействия
Прокариотная клетка Особенности организации прокариотной клетки Эукариотная клетка Признак Прокариотная клетка Эукариотная клетка Организация генетического материала Локализация ДНК Цито плазматические
Строение клеток живых организмов Классификация живых организмов (по уровню организации клетки) Живые организмы Неклеточные формы Клеточные формы Вирусы, фаги Прокариоты Эукариоты Сравнительная характеристика
Тест по биологии Химический состав клетки 9 класс 1. Содержание воды в клетке в среднем составляет (в процентах от массы) 1) 1-2 3) 30-40 2) 5-10 4) 70-80 2. Содержание минеральных солей в клетке в среднем
Требования к уровню подготовки учащихся, обучающихся по данной программе (личностные, метапредметные и предметные результаты курсов биологии). В результате изучения биологии в старшей школе классе ученик
Ядро, его строение и функции. Сам термин ядро впервые был применен Броуном в 1833 г. Для обозначения шаровидных постоянных структур в клетках растений. Позднее такую же структуру описали во всех клетках
Рабочая программа по биологии для 10-х классов является составной частью основной общеобразовательной программы среднего общего образования. Составлена с учетом программы «Биология-Сферы», Биология для
H -АТФаза ПЛАЗМАТИЧЕСКОЙ МЕМБРАНЫ ОСНОВНАЯ ЭЛЕКТРОГЕННАЯ СИСТЕМА ВЫСШИХ РАСТЕНИЙ В. А. ОПРИТОВ Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского PLASMA MEMBRANE H -ATPase AS THE BASIC ELECTROGENIC
Движение Движение веществ из клетки веществ из в клетку клетки в клетку Мурадимова Рената Казань, КФУ, 2010 г. http://www.bodymindhealing.co.uk/img/cells.jpg Мурадимова Рената, КПФУ, 2010 Регуляция обмена
ПОЛИМЕРЫ Дегтярёва М.О. ЛНИП термин "полимерия" был впервые введён И. Берцелиусом в 1833 первые упоминания о синтетических полимерах относятся к 1838 (поливинилиденхлорид) и 1839 (полистирол) в 30-х гг.
Белорусский государственный университет Метаболическая инженерия Учебная программа для специальности: 1-31 01 02 Биохимия 1-31 01 03 05 Микробиология 2012 г. СОСТАВИТЕЛЬ: 2 Антонова Мария Викторовна, научный
В книге рассматривается структура и ультраструктура древесины, приводятся методы анализа и сведения о химическом составе древесины различных пород. Излагаются строение и свойства основных компонентов древесины
ОБРАЗЕЦ КОНТРОЛЬНО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ 1. Ответами к заданиям 1-10 является один правильно выбранный термин (понятие) 1. Укажите термин, который верно соответствует определению. Запишите букву этого
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН Западно-Казахстанский государственный университет им.м.утемисова РАБОЧАЯ УЧЕБНАЯ ПРОГРАММА MONI 1101 Молекулярные основы наследственности и изменчивости
1 Н А Н О Б И О Л О Г И Я 6-я лекции САМОСБОРКА ПРИРОДНЫХ БИОЛОГИЧЕСКИХ НАНОСТРУКТУР И ПРИМЕНЕНИЕ СБОРОК ИЗ БИОМОЛЕКУЛ В НАНОТЕХНОЛОГИЯХ Эта лекция посвящена вопросам разработки новых биологических материалов,
Отложенные задания (30) Вставьте в текст «ДНК» пропущенные термины из предложенного перечня, используя для этого цифровые обозначения. Запишите в текст цифры выбранных ответов, а затем получившуюся последовательность
Лекция 5. Системы регуляции с участим медиаторов В тканях животных функционируют сложные системы регуляции: -холинэргическая, -серотонинэргическая, -дофаминэргическая, -гистаминэргическая, -система ГАМК.
55. На рисунке подпишите основные структурные компоненты ядра. 56. Заполните таблицу. Строение и функции клеточных структур Структура Особенности строения Функция Ядро 5 7^. Заполните таблицу. Строение
Дисахариды -природные вещества, которые при гидролизе распадаются на два моносахарида Дисахариды образуются из двух молекул моносахаридов за счет отщепления молекулы Н О. 2 В образовании связи между моносахаридами
11 ТЕХНОЛОГИЯ РЕКОМБИНАНТНЫХ ДНК Расшифровывая тайны структуры генов, ученые начали их выделять и синтезировать. 30 лет назад тех, которые верили в успех этих начинаний было мало, и никто даже не предполагал
Статья на конкурс «био/мол/текст»: Целлюлоза широко распространена в живой природе: ее молекулы являются самым распространенным биополимером на нашей планете. Это вещество - основной компонент растительных волокон, имеющее огромное значение как для глобальной экосистемы Земли, так и для различных областей промышленного производства. Растительные клетки долго хранили секрет биосинтеза этого полимера, но методы молекулярной генетики и биоинформатики позволили пролить свет на процессы его формирования. Статья посвящена истории открытия и исследования биосинтеза целлюлозы, а также последним результатам моделирования молекулярных комплексов растений, ответственных за биосинтез целлюлозного полимера.
Растительные волокна очень давно и прочно вошли в нашу повседневную жизнь. Мы встречаемся с ними, когда читаем газету, надеваем джинсы или садимся за свой рабочий стол. Столь разнообразные по свойствам материалы как хлопковая ткань, бумага или древесина весьма схожи по химической структуре и представляют собой растительные волокна или целлюлозу .
Исследования археологов показывают, что люди используют их со времен палеолита, а это значит, что уже более 30 тыс. лет целлюлоза была материальным носителем нашей культуры. Изобретение и широкое распространение книгопечатания дало сильный толчок в развитии человеческой цивилизации, который не обошелся без целлюлозы. Возможно, когда-нибудь мы полностью перейдем на электронные книги и журналы, но пока этого не произошло, а школьники и студенты хоть иногда пользуются бумажными учебниками и тетрадками, целлюлоза по-прежнему является важным и необходимым участником процесса накопления и передачи знаний. Но кто же те трудолюбивые «ткачихи», которые все это время изготавливали для нас растительные волокна? Что собой представляют и как работают растительные фабрики, производящие столь качественную продукцию в огромных количествах? Ответить на эти вопросы оказалось непросто.
Впервые в поле зрения ученых целлюлоза попала во второй половине 17 века, когда Роберт Гук сфокусировал свой микроскоп на препарате среза пробкового дерева (рис. 1). Тогда английский исследователь увидел сетчатую структуру среза, отдельные ячейки которой он и назвал клетками (от лат. cellula; еще не целлюлоза, но уже близко даже по звучанию слов). Сейчас мы знаем, что Гук наблюдал не сами клетки, а только перегородки между ними или, как говорят ученые, клеточные стенки .
Намного позднее, в первой половине 19 века, французский химик Ансельм Пайя анализировал химический состав перегородок, которые почти двести лет тому зарисовал Гук. Он установил, что основную их часть составляет волокнистое вещество, которое Ансельм Пайя назвал целлюлозой . Изучение структуры этого вещества показало, что оно представляет собой длинные ниточки или, точнее сказать, цепочки, состоящие из одинаковых повторяющихся звеньев, которыми являются более мелкие молекулы глюкозы. По мере накопления научных фактов, ученые обнаружили интересную закономерность, касающуюся целлюлозы. Растения способны синтезировать целлюлозу и откладывать ее в составе оболочек собственных клеток, а животные же никогда (если быть совсем точным, то за очень редким исключением) не образуют этот полимер. Целлюлоза оказалась таким веществом, которое кардинальным образом отличает растения от животных.
По мере развития биологии ученых уже интересовали не только вопросы описания живых организмов, их формы, окраски, но и то, как они функционируют, почему имеют ту или иную окраску, какими процессами это обеспечивается и как они протекают в клетках живых организмов. К середине 20-го века ученым стало ясно, что если в растениях или животных присутствует какое-либо вещество, то, значит, есть биохимическая реакция, в которой это вещество синтезируется, и фермент, обеспечивающий эту реакцию. Исследователи приступили к изучению метаболизма живых организмов.
В изучении метаболизма целлюлозы ничего не предвещало серьезных трудностей. Этот полимер устроен достаточно просто, поэтому предполагалось, что и процессы, обеспечивающие его накопление, не очень сложны. Целлюлозу рассматривали как элемент клеточной стенки растений, а саму клеточную стенку представляли как «картонную коробку» для живого содержимого клетки. Образование целлюлозы учёные представляли как процесс постепенного утолщения стенок «коробки» (что-то подобное наслоению накипи на стенках чайника, если его долго не чистить). Однако в действительности все оказалось значительно сложнее. Многочисленные попытки изучить реакцию накопления целлюлозы и выделить растительный фермент не увенчались успехом. Все большее число экспериментальных данных указывало, что при биосинтезе целлюлозы задействован целый комплекс ферментов, составляющий сложную систему. Складывалась парадоксальная ситуация - для синтеза достаточно простого, с точки зрения биохимии, вещества в живой клетке задействованы очень сложные механизмы. Эти процессы оказались настолько сложны, что до сих пор ученые не могут воспроизвести в пробирке биосинтез целлюлозы у растений, хотя многое здесь уже понятно благодаря бактериям, а также методам генетики и биоинформатики.
Как это часто бывало в науке 20 века, бактерии оказывали помощь в изучении сложных биологических процессов. Клетки этих мельчайших живых организмов устроены проще, поэтому и изучать их легче. В случае с целлюлозой микробы также сыграли немаловажную роль. Следует отметить, что в целом для бактерий не свойственно образование целлюлозы, однако некоторые виды, среди которых (рис. 2, видео), способны синтезировать это вещество .
Рисунок 2. Бактерии : колонии, образующиеся в лабораторных условиях при росте на плотных питательных средах (а ) и сложное микробное сообщество, на кухне чаще называемое чайным грибом (б ).
Видео. Биосинтез целлюлозы бактериями (видеомикроскопия в режиме реального времени)
Для клеток бактерий удалось сделать то, что не удавалось сделать для растительных клеток, а именно: выделить фермент, который синтезирует целлюлозу. Проанализировав бактериальную целлюлозосинтазу (именно так называется фермент, который синтезирует целлюлозу), ученые установили ключевой участок молекулы фермента, где происходит «нанизывание» отдельных звеньев глюкозы в длинную цепочку целлюлозы . Эта информация была очень ценной для исследователей, поскольку позволяла по аналогии с бактериальными ферментами искать похожие ферменты растений. К тому же ученые очень хорошо знали, что подавляющее число ферментов (в том числе и целлюлозосинтаза) относится к белкам, а информация о структуре всех белков записана в генах посредством генетического кода. Другими словами, можно перевести «текст» генетического кода на язык белковых ферментов, а где начинается работа с генетическими последовательностями, там генетики могут подключиться к исследованию и предложить свою помощь.
Если невозможно выделить и изучать ферменты биосинтеза целлюлозы, то можно выделить и изучать гены, которые кодируют эти ферменты. Ведь с генами работать намного проще, чем с ферментами. А если ферменты, которые изучаются, имеют особенности в своей структуре, то информация об этих особенностях записана и в соответствующих генах. Поэтому можно сравнивать не только сами ферменты и искать в них интересующие участки, но и гены, которые их кодируют. Ученые использовали информацию о структуре бактериальных генов целлюлозосинтаз для поиска их растительных аналогов. Подход генетиков принес долгожданный успех в расшифровке секретов биосинтеза целлюлозы растениями. В 1996 году группе ученых во главе с Дж. Пеар удалось идентифицировать два гена целлюлозосинтаз хлопчатника и один ген риса . Это были первые открытые растительные гены, кодирующие эти ферменты. Располагая данными о структуре растительных генов, ученые смогли перевести генетическую информацию на язык белковой последовательности фермента. В свою очередь, анализ белковых последовательностей при помощи биоинформатических алгоритмов позволил смоделировать структуру растительных целлюлозосинтаз (рис. 3).
Рисунок 3. Структура целлюлозосинтазы хлопчатника. а - схема вторичной структуры: шесть β-слоев обозначены стрелками, а тринадцать α-спиралей бочонками. б - пространственная структура молекулы: подписаны α-спирали и β-слои с числом, обозначающим их последовательность в аминокислотной цепочке белка (в направлении от N - к С -концу). α-Спирали, выделенные серым цветом , и β-слои, отмеченные желтым , входят в состав каталитического центра фермента.
Оказалось, что для появления способности к синтезу целлюлозы, шесть растительных ферментов должны объединиться вместе, а такой шестикратный комплекс, в свою очередь, должен объединиться с шестью подобными ему шестикратными комплексами. Растительная целлюлозосинтаза оказалась очень «компанейским» ферментом, который работает только в команде, составляющей в конечном итоге 36 отдельных ферментов (рис. 4).
Рисунок 4. Строение целлюлозосинтазного комплекса. а - модель структуры комплекса. Шесть отдельных ферментов образуют шестикратные комплексы, которые, в свою очередь, формируют целлюлозосинтезирующий комплекс. Каждый фермент синтезирует одну цепочку целлюлозы, которые, соединяясь вместе, формируют целлюлозную микрофибриллу. б - микрофотография внутренней поверхности оболочки растительной клетки табака, полученной с помощью трансмиссионной электронной микроскопии. Целлюлозосинтезирующий комплекс (в окружности) связан с микрофибриллой целлюлозы (отмечена стрелкой ). Риска: 200 нм.
Объединившись особым образом, эти тридцать шесть ферментов включаются в биологическую мембрану и только тогда начинают нанизывать отдельные звенья глюкозы в длинную цепочку целлюлозного полимера. Растительная целлюлозосинтаза - это тридцать шесть «ткачих», которые по шесть рассажены в шесть отдельных команд. Каждая ткачиха ткет свою нить - отдельную цепочку целлюлозы, - которая сплетается вместе с другими и дает упругую косичку из 36 отдельных ниточек. Такая косичка называется целлюлозной микрофибриллой . Все ткачихи должны работать слаженно, чтобы косичка получилась равномерной и без перекосов. Если каждая ниточка микрофибриллы на месте и косичка сплетена ровно, без брака, то ученые говорят о кристаллической форме целлюлозы, а если косичка где-то расплелась, растрепалась, - то это аморфная целлюлоза (рис. 5).
Рисунок 5. Структурная модель микрофибриллы целлюлозы. а - Микрофибрилла целлюлозы, состоящая из 36 целлюлозных цепочек. б - Несколько цепочек целлюлозы, образующие кристаллическую область. в - Цепочка молекулы целлюлозы, состоящая из «звеньев» глюкозы.
Хорошо сплетенная целлюлозная микрофибрилла - отличная опора для всего растения, а среди них встречаются настоящие гиганты. Хорошо уложенные «косички» целлюлозы образуют прочный и длинный опорный скелет, который надежно удерживает и многовековой дуб, и раскидистую иву. А ведь, по большому счету, эта прочность рождается благодаря стараниям тридцати шести искусных ткачих!
Исследования молекулярных комплексов, ответственных за биосинтез целлюлозы, важны и перспективны, поскольку имеют как фундаментальное, так и прикладное значение. С одной стороны, исследование биосинтеза целлюлозы позволяет нам познавать процессы роста и развития растительной клетки, понять механизмы обмена информацией между клетками и окружающей средой, другими словами - узнать больше о том динамическом равновесии, называемом жизнью. А с другой стороны, исследование биологических процессов, которые лежат в основе биосинтеза целлюлозы, открывает широкие перспективы влияния на формирование растительного волокна, замены и моделирования его свойств под запросы конкретной области производства.
Гемицеллюлозы, состоящие в основой из безводных остатков D-ксилозы, широко распространены в растительном царстве как компоненты клетки. Часто их рассматривают в качестве веществ, цементирующих ткани растения. Были исследованы гемицеллюлозы, выделенные из соломы, листьев, отрубей, эндосперма и зародыша пшеницы Triticum vulgare.
Синтез целлюлозы и пентозанов в растении недостаточно изучен. Гипотеза о том, что пентозаны образуются непосредственно из гексоз в результате окислительного декарбоксилирования, получила поддержку в работах Кострубина, который показал, что содержание свободных фруктозы и фруктозанов в стебле пшеницы уменьшается по мере усиления процессов лигнификации и возрастания количества гемицеллюлозы. Путем подкормки растущих растений пшеницы простыми сахарами, меченными С14, Нейш установил, что предшественником как целлюлозы, так и ксилозы является глюкоза. Распределение С14 указывает, что главным путем синтеза ксилана является отщепление углерода от глюкозы в положении 6 и что пентозы превращаются в ксилан только при образовании в качестве промежуточного соединения глюкозы.
Внешний вид выделенных гемицеллюлоз зависит в основном от метода извлечения. При наличии заметных количеств воды и высушивании образца на воздухе полученный продукт обычно представляет твердую, роговидную массу янтарного цвета, с трудом поддающуюся диспергированию или растворению. В том случае, когда образец высушивался с помощью растворителей с постепенно уменьшающейся полярностью, как правило, получали порошки белого цвета. При лиофильном высушивании очень разбавленных водных дисперсий гемицеллюлозы выделяли продукты с наименьшей плотностью и наибольшей растворимостью.
При гидролизе гемицеллюлозы и пентозаны дают производные пентоз и гексоз. Мономерными единицами, чаще всего встречающимися в пентозанах и гемицеллюлозах злаков, являются пентозосахара D-ксилоза и L-арабиноза. Кроме того, имеются данные о наличии некоторых гексозо-сахаров и их производных. К ним относятся D-галактоза, D-глкжоза, D-глюкуроновая кислота и 4-О-метил-1)-глюкуроновая кислота. В общем гемицеллюлозы и пентозаны, выделяемые из хлебных злаков и трав, характеризуются присутствием остатков L-арабофуранозы, соединенных в виде боковой цепи из единственного остатка с основной цепью из D-ксилопиранозных остатков. Обычно боковые цепи присоединяются в положении третьего остатка D-ксилозы, однако в некоторых случаях остатки D-глюкуроновой кислоты или 4-О-метил-глюкуроновой кислоты могут присоединяться в положении 2 или 3.
В своем обзоре, посвященном растительным гумми, Херст установил, что большинство этих гумми и растительных слизей обладает сильно разветвленной структурой, при которой гидроксильные группы расположены идеально для связывания молекул воды. Вследствие этого даже в наиболее концентрированных растворах гумми остаются сильно гидра — тированными. Тем не менее должны существовать межмолекулярные водородные связи между самими молекулами гумми, которые в сильно разбавленных растворах не проявляются достаточно сильно, но с удалением воды обнаруживают тенденцию к образованию структуры возрастающей жесткости. Возможно, что характерные физические свойства гумми и растительных слизей объясняются каким-то тонким взаимодействием между этими противоположными реакциями.
При получении и выделении углеводов из растительных тканей ферменты могут осуществлять их случайное расщепление или вызывать модификацию. Опыты на непроросших пшенице и ячмене показали, что встречающиеся в естественных условиях ферменты могут разрушать межмолекулярные связи молекулы пентозана, что приводит к быстрому снижению вязкости, сопровождающемуся медленным образованием свободных восстанавливающих групп. Это действие ферментов усиливается при прорастании зерна. Изменение соотношения между ксиланом и арабаном в пентозане изменяет его растворимость и может вызвать также растворение первоначально не растворяющихся в воде гемицеллюлоз. Хотя атакуемость пентозанов пентозаназами часто облегчает выделение некоторых компонентов клеточных стенок, а также клейковины и крахмала, остается непреложным фактом необходимость соблюдения определенных предосторожностей, чтобы в процессе получения гемицеллюлоз и пентозанов избежать их ферментативного расщепления.
