В. А. Андреева

ПЕРОКСИДАЗА

«НАУКА»

АКАДЕМИЯ НАУК СССР ДАЛЬНЕВОСТОЧНОЕ ОТДЕЛЕНИЕ Биолого-почвенный институт

В. А. Андреева

ФЕРМЕНТ ПЕРОКСИДАЗА

УЧАСТИЕ В ЗАЩИТНОМ МЕХАНИЗМЕ РАСТЕНИЙ

Ответственный редактор

доктор биологических наук Ю. Н. ЖУРАР ПЕВ

s

МОСКВА «НАУКА» 1988

УДК 577.152.193 + 632.3

Фермент пероксидаза: Участие в защитном механизме растений / В. А. Андреева.— М.: Наука, 1988.— 128 с— ISBN 5-02-003944-6.

На основании обзора имеющихся литературных источников и собственных исследований автора приводится физико-химическая характеристика фермента пероксидазы (ПО) и его изоэнзимов. Обсуждаются особенности взаимодействия с субстратами и субстратная специфичность, взаимосвязь ПО с проявлением вирусного патогенеза и системной вирусиндуцированной устойчивости. Дается биохимическая характеристика изопероксидаз, выделенных из здоровых (контроль) и инфицированных (ВТМ, ХВК) растений-хозяев — картофеля, дурмаиа, табака. Рассматривается вопрос о возможности использования изоэнзимов этого фермента как маркеров в селекционной работе при выведении сортов растений, устойчивых к вирусным заболеваниям.

Книга рассчитана на биохимиков, физиологов, фнтовирусологов, специалистов по защите растений.

Табл. 22. Ил. 22. Библиогр.: 444 назв.

Рецензенты:

Н. Н. Беседнова, Т. Н. Варвашевич, Е. А. Карпов

Научное издание

АНДРЕЕВА Вера Александровна ФЕРМЕНТ ПЕРОКСИДАЗА

Участие в защитном механизме растений

Утверждено к печати Биолого-почвенным институтом Дальневосточного отделения АН СССР

Редактор издательства ИЛ. Типисева

Художник СЛ. Резников. Художественный редактор В.В. Алексеев Технический редактор Г.И. Астахова. Корректор Г.В. Дубовицкая

ИБ N" 37361

Подписано к печати 10.06.88. Т - 001S6.Формат 60X90 1/16 Бумага книжно-журнальная, импортная Гарнитура Литературная (фотонабор). Печать офсетная

Усллечл. 8,0. Усл.кр.-отт. 8,5. Уч.-изд.л. ЮД.Тираж 1300 экз. Тип. зак. 1188 Цена 2 руб.

Ордена Трудового Красного Знамени издательство "Наука" 117864 ГСП-7, Москва В-485, Профсоюзная ул., д. 90

2-я типография издательства ¦¦Наука" 121099, Москва, Г-99, Шубинский пер., 6

. 2001040000-234 „„ ... ^ „

—042(02)-88— 217"88—1,1 © Издательство «Наука», 1988

ISBN 5-02-003944-6

ВВЕДЕНИЕ

Известно, что основным требованием всего жиаого является поддержание молекул в восстановленном состоянии, и не малая роль в этих процессах принадлежит в первую очередь пероксидазам. Пероксидаза — один из весьма распространенных ферментных белков, интерес к изучению которого с годами не ослабевает. Повсеместное присутствие этого фермента в растительных и животных тканях, а также в составе метаболитов грибов и бактерий дает основание считать его жизненно важным соединением высших и низших организмов. Он является индуцибельным, реагирует на самые разнообразные воздействия, либо изменяя при этом набор своих изоэнзимов, либо повышая активность уже присутствующих молекулярных форм.

Пероксидаза — гликопротеид, для которого носителем соответствующей изменчивости могут быть углеводные компоненты. Такой компонент, даже небольшой по массе, может сообщать молекуле качественно новое состояние и регулировать отношение фермента к различным изменениям среды. Показано, что углеводная часть придает белку гораздо большую специфичность. Это своего рода векторные группы протеидов, которые «узнают» участки других структур, иные макромолекулы и поверхность клеток [Строев, 1986]. В связи с этим интересны данные, представленные Несселем и Мэдером [Nessel, Mader, 1977], о том, что кислые пероксидазы, как биохимические соединения, занимают особое положение, а содержание углеводов у них достигает 20%.

Реакции, катализируемые пероксидазой, характеризуются переносом водорода от молекулы субстрата к перекисям, в результате чего возникают радикалы субстратов, являющиеся сильнореакционными соединениями. Большинство субстратов этого фермента — соединения феноль-ной природы. Окисляясь до хинонов, они обладают сильным окислительным действием. Фенолы могут также ковалентно связываться с молекулой пероксидазы, изменяя ее каталитическое действие [Srivastava, Huystee, 1977b]. Особенности строения молекулы и возможности ее изменения играют немаловажную роль при активации индивидуальных изопе-роксидаз. Несмотря на стремление автора собрать в монографии как можно больше данных по характеристике фермента пероксидазы, их нельзя считать полными, так как фермент сложен по набору своих изоэнзимов и по реакциям, осуществляемым с его участием.

О повышении активности пероксидазы в листьях растений табака, зараженных вирусом табачной мозаики, впервые было сказано Вудсом

3

еще в 1899 г. [Рубин, Зеленова, 1964]. Позднее установлено, что пероксидаза способна увеличивать бактерицидное действие фенолов в присутствии перекиси водорода и таким образом участвовать в защитном механизме [Kodjima, 1931]. Росс, заражая сверхчувствительные к вирусу табачной мозаики (ВТМ) растения табака, обнаружил проявление приобретенной устойчивости [Ross, 1961b], а затем было выяснено, что с этой устойчивостью коррелирует и повышение активности фермента перо-ксидазы.

В настоящее время накоплен значительный фактический материал об изменении активности изопероксидаз у растений, пораженных микроорганизмами. Взаимодействуя с клеткой растения-хозяина, патоген индуцирует а ней целую цепь реакций, причинно и функционально связанных друг с другом. Повышение окислительного обмена и активация перокси-дазы — результат действия лишь одного из звеньев сложной цепи биохимических и физиологических процессов метаболизма. Ключевой вопрос, который встает при изучении фермента пероксидазы и его связи с защитным механизмом растений,— чем обусловлено повышение активности фермента? Синтезом ли изопероксидаз de novo? Изменениями ли конфор-мации молекулы фермента, когда становятся более доступными реакци-онноспособные группы или активный центр? Присоединением ли определенных кофакторов или изменением содержания его субстратов?

Среди многих изучаемых ферментов только пероксидаза повышает свою активность в течение длительного времени в тканях между некрозами, а также в выше- и нижележащих листьях (по отношению к инфицированному) у сверхчувствительных растений табака [Simons, Ross, 1970, 1971]. Как механизм реакций сверхчувствительности (некроз), так и устойчивость, индуцированная вирусами в листьях, расположенных на расстоянии от мест проникновения патогенов, привлекают многих исследователей. С годами интерес к проблеме иммунных реакций растений не ослабевает, а, наоборот, по мере накопления знаний все возрастает. По данным Вестштейян [Weststeijn, 1976], устойчивость, индуцируемая вирусом, обусловлена «агентом» белковой природы, параллельно с передвижением которого от мест проникновения вируса к другим клеткам и тканям повышается активность фермента пероксидазы в них.

Выяснение индуцированного повышения активности пероксидазы при различных нарушениях метаболизма представляет несомненный интерес, так как не выяснены временная сущность возрастания активности при патогенезе и тонкий химизм этих процессов. Некоторые авторы, исследуя растения, зараженные вирусами и поврежденные механически, считают, что активирование пероксидазы при этом иосит неспецифический характер [Birecka et al., 1975]. Однако данные этих авторов не имеют достаточных доказательств, их исследования вызывают ряд вопросов. Кажущаяся однотипность ответных реакций растительного организма на различные физиолого-биохимические нарушения в каждом отдельном случае сохраняет черты определенной индивидуальности и специфичности. Непосредственный контакт хозяина и вируса приводит к возникновению качественно новой системы, которая представляет собой не простую сумму объединенных свойств и геномов каждого из партнеров, а является результатом очень сложного, весьма специфического взаимодей-

4

ствия, резко отличающегося от любого другого нарушения метаболизма. Если бы ответные реакции растений на различные повреждения были неспецифичны в самой своей основе, то абсолютная однотипность биохимических процессов при них давно бы стала очевидной.

Жизнедеятельность любого организма основана на ферментативных Процессах, и очень важно знать, как функционируют ферментные системы в зараженном организме, каковы последовательная цепь и механизм защитного ответа. В растениях, так же как у животных, интеграция биохимических процессов осуществляется на уровне отдельной клетки, ергана или целого организма. Для координации отдельных функций в клетках растений существуют механизмы, посредством которых они могут взаимодействовать между собой. Большую роль в объединении растительных клеток играет гормональная система, а также молекулы-посредники. Остается лишь выяснить, как осуществляется ход реакций, обеспечивающих передачу сигналов на значительные расстояния при заражении растений. Чем больше удастся понять о взаимодействиях хозяин—патоген на биохимическом уровне и выявить последовательность реакций в их динамике и сложности, тем раньше окажется возможным манипулировать этими реакциями для повышения резистентности растений.

Согласно собственным исследованиям автора и анализу литературных источников, стало вполне очевидным, что изменения метаболизма, вызываемые вирусами, специфичны для растения-хозяина. Под влиянием вируса происходит как ингибирование, так и индуцирование синтеза «новых» изоэнзимов пероксидаз. Но так как фермент в клетках растений представлен большим набором изоэнзимов (от 3 до 42 молекулярных форм) с широким диапазоном ферментативной деятельности, в пределах рН от 3 до 14, то изучение этого фермента весьма сложно. Сведений о каталитической активности каждого из изоэнзимов пероксидазы в реакциях метаболизма разных растительных организмов весьма недостаточно. Тем более практически нет таких сведений об изменении каталитических свойств индивидуальных изопероксидаз. в вирозных растениях. Физико-химическая характеристика пероксидаз, выделенных из зараженных вирусами и контрольных растений табака, свидетельствует об определенных различи