Физиология субклеточных структур

На X Международном ботаническом конгрессе в Эдинбурге (1964) особое внимание привлекла работа двух не существовавших на предыдущих конгрессах секций – физиологии растительной клетки и ее тонкой структуры и функции. Необходимость создания этих секций была вызвана значительными успехами и перспективностью исследований на клеточном и субклеточном уровнях, позволяющими проникать в тончайшие механизмы фотосинтеза, дыхания, поглощения веществ и других процессов. Эти успехи стали возможны благодаря существенному прогрессу методов исследования клетки и ее физиологии (см. главы 10 и 11). Следует особо отметить приемы К. Мюлеталера и его сотрудников (1964), которые во избежание артефактных изменений тонкой структуры клеток заменили химическую фиксацию материала его быстрым замораживанием. Этот прием позволил обнаружить ряд деталей в структуре цитоплазматической мембраны, ядерной оболочки, квантосомы в ламмелах хлоропластов, оксиомы в митохондриях и другие органеллы, ускользавшие от наблюдения при обычных методах фиксации.

Получение чистых фракций неповрежденных клеточных органелл позволило уже в начале 40‑х годов приступить к более детальному изучению не только структуры, но и функции растительных митохондрий. Согласно многолетним исследованиям американского биохимика Д.Э. Грина (1963), именно с этими клеточными органеллами связаны три важнейших процесса: окисление в цикле трикарбоновых кислот, а вне его – аминокислот, жирных кислот и других соединений; перенос электронов и оксислительное фосфорилирование (см. главу 6). Сравнение митохондрий растительных и животных клеток и характера протекающих в них процессов обнаружило почти полную аналогию их функций.

В 50‑х годах в протоплазме растительных клеток были обнаружены рибосомы – рибонуклеопротеидные частицы, впервые наиболее подробно описанные П. Тсо с сотрудниками (1956–1958). Тогда же было установлено, что с деятельностью этих частиц, как в животной, так и в растительной клетке связан синтез белка.

В настоящее время ведутся интенсивные исследования механизмов на отдельных этапах белкового синтеза и участия рибосом в этих процессах (см. главу 23).

Важные данные получены в 60‑х годах о структуре и функции хлоропластов. Электронно‑микроскопические наблюдения и исследования биохимического состава и ферментативной активности этих органелл позволили установить наличие у них ламеллярной (пластинчатой) структуры. Ламеллы состоят из тонких чередующихся друг с другом слоев белка и липоидов. Через определенные промежутки несколько ламелл соединяются между собой, образуя в местах соединения уплотненные плоские участки – граны. Каждый слой ламелл в свою очередь состоит из плотно прилегающих частиц, внешне напоминающих зернистую поверхность. Впервые эти частицы были обнаружены на электронных микрофотографиях Э. Штейнмана (1955). М. Кальвин (1962) назвал их квантосомами.

В хлоропластах уже к началу 50‑х годов были найдены почти все ферменты, участвующие в метаболизме растений, что позволило H.М. Сисакяну (1954) характеризовать эти пластиды как «депо энзимов». Наибольшее внимание было уделено изучению пиридиннуклеотидредуктазы, трансгидрогеназы и ферментам фосфорного обмена – АТФазы, фосфатаз и др.

Важнейшим событием было обнаружение в конце 50‑х – начале 60‑х годов в хлоропластах рибосом, что окончательно утвердило мнение о возможности синтеза белка в хлоропластах (П. Тсо, 1958; В. Литлтон, 1962; Г. Брауерман, 1963; и др.).

До начала 40‑х годов считалось общепризнанным, что процессы дыхания, фотосинтеза и ряд других биохимических реакций неразрывно связаны с растительной клеткой как целостной структурной единицей. Опыты Р. Хилла (1939), а затем А.Е. Бойченко (1949), Д.И. Арнона (1954, 1962) и других опровергли это мнение и в отношении хлоропластов. Исследования фрагментов этих структур привели к выводу, что даже их мельчайшие частицы содержат все фотосинтетические пигменты в таком же соотношении, как и неповрежденные клетки; передача энергии в таких фрагментах идет так же, как и в целых клетках, хотя с меньшей интенсивностью.

Новые данные получены также о структуре и функции ядра, ядерных образований и оболочки. Американские биохимики А.Е. Мирский (1963) и В.Г. Олфри (1963) обнаружили существование в изолированных ядрах процессов фосфорилирования и синтеза АТФ, доказав тем самым, что митохондрии не являются единственными структурами, в которых возможны эти процессы. В 1965 г. Дж. Боннеру удалось выделить из клеток ростков гороха хромосомы и показать, что в присутствии рибосом, аминокислот и рибозодифосфатов они и в изолированном состоянии могут синтезировать белки типа глобулинов, свойственные только этой стадии развития гороха. Электронно‑микроскопические исследования позволили установить, что ядерная оболочка состоит из двух слоев – внутреннего, гомогенного, и наружного, пронизанного Порами. Последние обеспечивают возможность беспрепятственного обмена веществ между ядром и цитоплазмой (Г.Г. Галлан, 1952).

В изучении тончайших структур и функций клеточных органелл заметную роль начинают играть работы, в которых структура и функция рассматриваются в развитии. Современные цитологические исследования ведут к расшифровке физиологических процессов, протекающих во вновь открываемых субклеточных элементах. Именно эта область исследований служит наиболее ярким примером того, как все более стираются границы между биохимией, цитологией и физиологией растений и как постепенно обрисовываются контуры синтеза этих наук на более высоком уровне.