ДЫХАНИЕ КЛЕТОК НА РАЗНЫХ ФАЗАХ РОСТА

ДЫХАНИЕ КЛЕТОК НА РАЗНЫХ ФАЗАХ РОСТА. ИЗМЕНЕНИЯ ДЫХАНИЯ С ВОЗРАСТОМ ТКАНЕЙ Совершенствование методов исследования сделало воз¬можным изучение дыхания отдельных микроскопических участков тканей и облегчило выяснение значения фазы рос¬та клеток для характера дыхательного процесса.

Уже первые исследования, проведенные в этом направлении, дали ряд интересных и неожиданных результатов: оказалось, что не всегда более молодые клетки дышат интенсивнее, как можно было ожидать на основе данных, полученных при грубом сравнении дыхания органов разного возраста.

Дыхание меристематических тканей растений отличается рядом своеобразных особенностей. Это впервые показали Рулянд и Рамсгорн (1938), изучая дыхательный газообмен различных меристем (кончики корней бобов, камбий сирени и липы). Эти ученые обнаружили, что этим тканям свойст¬венно аэробное брожение, т. е. наряду с кислородным дыха¬нием в них осуществляется процесс спиртового брожения.

Оказалось, что в камбии и кончиках корней содержится не¬большое количество этилового спирта и уксусного альдегида. Дыхательный коэффициент этих тканей оказался повышен¬ным и иногда достигал нескольких единиц Как видно из приведенных данных, поглощение кислорода в меристемах значительно меньше по сравнению с клетками, перешедшими к растяжению или закончившими рост. Дыха¬тельный коэффициент в камбии и кончиках корней всегда выше единицы и обычно резко уменьшается при переходе к зоне растяжения вследствие усиления поглощения кислорода.

При расчете на единицу белкового азота цифры поглощения кислорода были бы еще ниже по сравнению с другими тка¬нями. Увеличение меристематической активности (ускорение клеточных делений), что достигалось в исследованиях Рулян-да и Рамсгорна воздействием гетероауксина, приводит к еще более высоким величинам ДК, обусловленным снижением по¬глощения кислорода.

Одновременно при применении стиму¬лятора увеличивается накопление продуктов спиртового бро¬жения. Г. Ваннер (1950) и др изучая дыхание в разных срезах корней пшеницы, обнаружили, что в зоне растяжения при расчете на единицу белкового азота кислорода поглощается почти в три раза больше, чем в меристематической зоне. Это позднее было подтверждено опытами Л. Элиассона , 1955). Ваннер, 1950) получил подобные резуль¬таты для корней лука, Г. Балдовинос (, 1953) и Д. Р. Годдард и Б. Дж. Меуз (, 1950) — для корней кукурузы.

Годдард и Меуз обнаружили, что в ме¬ристематической зоне корней интенсивность дыхания при расчете на единицу азота низкая, в зоне растяжения она сильно возрастает и достигает максимума, а после прекраще¬ния роста снижается до постоянного уровня.

Р. Броун и Д. Броадбент ,( 1950) не нашли столь значительных различий в интенсивности дыхания разных зон роста корней гороха. Таким образом, переход клетки от эмбрионального состояния к фазе растяжения обычно связан со значительным активированием кислородного дыхания. Причина этих изменений дыхания пока остается неясной. Не¬которые исследователи считают, что более интенсивное ды¬хание зоны растяжения является следствием того, что эта фаза роста клеток помимо поглощения воды, накопления осмотически активных веществ и роста клеточных оболочек связана также с интенсивным новообразованием цитоплаз¬мы (Броун и Броадбент, 1950 и др.). С приведенными данными вполне согласуются наблюде¬ния над влиянием парциального давления кислорода на рас¬пускание древесных почек: у некоторых деревьев, например у каштана, почки скорее трогаются в рост при пониженном содержании кислорода — до 2—5об.%. Многие способы ран¬ней выгонки связаны с временным усилением анаэробных процессов.

Смирнов (1943), изучая дыхание зерна пшеницы при раз¬ной влажности, нашел, что дыхательный коэффициент сухо¬го зерна выше; он относил это за счет дыхания зародыша. Особенности дыхания растительных меристем интересно со¬поставить с данными, характеризующими обмен веществ на разных фазах митотического деления клеток.

Штерн (1959) считает, что митоз можно отнести к числу немногих функций, осуществление которых в клетках, нормально являющихся аэробными, частично или полностью возможно в отсутствие кислорода.

У аэробных организмов во многих случаях, хотя и не всегда, доступ кислорода является существенным усло¬вием, способствующим митозам, но даже в случае наличия потребности в кислороде эта потребность снимается перед окончанием профазы, а у некоторых клеток и при вхожде¬нии в профазу, после чего до самого завершения митотиче¬ского цикла клетки не нуждаются в доступе кислорода (В. С. Буллоу— 1952). В этом отношении наблю¬дается неоднородность реакций даже среди аэробных кле¬ток: у некоторых потребность в кислороде обнаруживается только на протяжении части профазы, у других—вся профаза проходит без кислорода, а у некоторых клеток уже перед на¬чалом профазы эта потребность утрачивается.

Варбург (1956) высказывал предположение, что причина рака заключается в нарушении дыхательных систем, приво¬дящих к нарушению дифференциации тканей при сохранении высокой активности митозов. Действительно, для многих опухолей характерно наличие интенсивного гликолиза при слабом дыхании (см. сводку Штерн, 1959). Однако Штерн считает, что возникновение подобных аномалий обмена чаще является следствием, чем причиной канцерогенезиса.

Неодинаковое отношение к кислороду митотического про¬цесса у разных клеток пока еще не получило своего объяс¬нения. Некоторые исследователи предполагают, что здесь может сказываться конкуренция в потреблении кислорода разными клеточными органоидами, изменяющаяся при диф¬ференциации тканей (Штерн, 1959). Благоприятное влияние дыхания на митотические движения отмечалось многими, оно возникает вследствие образования богатых энергией соеди¬нений, прежде всего АТФ. Однако пока еще неясна роль образуемой при дыхании АТФ в процессе разделения хро¬мосом.

Если бы гликолиз не прекращался во время митоза, то он один был бы способен обеспечить энергией этот про¬цесс, как предполагает Браше (1955 и др.). Однако пока еще нельзя считать доказанным, что гликолитический механизм остается активным на протяжении всех этапов митоза; имеется ряд фактов, говорящих об обратном.

Напри¬мер, микроспоры во время митотического интервала обладают очень слабой способностью вызывать распад сахара ферментами, катализирующими первичные реакции гликолиза, хотя в другое время эти ферменты у них очень активны. В пыльниках лилейных во время деления ядер наблю¬дается резкое падение потребления кислорода в микроспороцитах и микроспорах, что подтвердилось и в опытах с суспен¬зиями микроспор (Р. О. Эриксон— 1947; Штерн и П. Л. Кирк — 1948 и др.). В синхронно делящейся культуре обнаружено прекращение поглощения кислорода во время деления клеток.

Однако подобное явление наблюдается не всегда: у морских ежей нет подобного резкого снижения потребления кислорода клетками в момент деления, что, вероятно, связано с боль¬шой массой цитоплазмы у их яйцеклеток (Штерн, 1956, 1959). Предполагается, что нарушения синтетических процес¬сов во время митотического деления клеток являются следствием временного ослабления активности аэробных си¬стем, имеющих значение в образовании богатых энергией соединений.

Для объяснения сравнительно малой потребно¬сти митотического процесса в снабжении энергией сущест¬вуют разные предположения. Как уже упоминалось, суще¬ствует точка зрения Варбурга, заключающаяся в том, что гликолиз может служить единственным источником энергии для митоза. Буллоу (1952) -предполагает, что до наступления митоза предварительно создается резервуар энергии за счет аэробных процессов.

Штерн (1959) считает, что дезорганизация ядра во время митоза каким-то образом прекращает функционирование митохондрий. Это пока труд¬но достаточно ясно истолковать потому, что здесь было бы неправильно полагаться на аналогии с влиянием удаления ядра в опытах Браше (1955 и др.). Изменения состояния клетки и ее отдельных органоидов во время митоза свое¬образны и трудно сравнимы со всякими другими состояниями, искусственно вызываемыми при выделении безъядерных фрагментов и т. д. Для деления клеток характерны понижение окислительно-восстановительного потенциала и высокий уровень восстановленности, что было замечено для эмбриональных тканей животных (Вюрмзер, 1935 и др.), а также для растительных меристем, которым, присущи спиртовое бро¬жение, высокий дыхательный коэффициент и сравнительно невысокая интенсивность поглощения кислорода (Рулянд и Рамсгорн, 1938; Ваннер, 1950; Элиассон, 1955 и др.). Здесь, вероятно, имеет значение характер биосинтезов, происходя¬щих хотя и не в период самого деления клетки, а, по-видимому, во время интерфазы, но без совершения которых не может осуществляться митотический процесс.

Имеется в виду синтез ядерной нуклеиновой кислоты — дезоксирибонуклеиновой (ДНК), содержание которой должно удвоиться, иначе не может происходить деление. ДНК характеризуется высоким уровнем восстановленности: в состав ее нуклеотидов входит дезоксирибоза — пентоза, отличающаяся от рибозы при равном числе водородных атомов меньшим чис¬лом кислородных.

Кроме того, в отличие от РНК, ДНК имеет в своем составе тимин (вместо урацила в РНК), который отличается от урацила большим числом метальных групп.

Высокий уровень восстановленности говорит о необ¬ходимости больших затрат энергии на синтез ДНК. Кроме того, самый характер биосинтеза ДНК требует предвари¬тельного аккумулирования значительных количеств энергии макроэргических связей, которые могли бы обеспечить этот синтез своевременно и быстро. Действительно, имеющийся фактический материал, характеризующий условия, влияющие на деление клеток, показывает, что для интенсивного деления их необходима высокая активность процессов, способных обеспечить запасание энергии макроэргов.

У растений все условия, способствующие фотосинтетическому или дыхатель¬ному фосфорилированию, благоприятствуют интенсивному делению клеток, высокой активности меристем. Наоборот, все факторы, угнетающие энергетические процессы: недоста¬ток света, недостаток фосфора при избытке азота, воздей¬ствие специфическими ингибиторами дыхательных фер¬ментов, или ингибиторами фосфорилирования, высоки¬ми концентрациями ауксинов, угнетающими фосфорилирование, и т. д приводят к торможению деления клеток, уменьшая синтез ДНК. Следствием подобных условий являет¬ся обычно увеличение отношения РНК/ДНК при снижении общего содержания нуклеиновых кислот (Туркова и др 1960 и др.). Интересны данные по изучению относительной активности пентозофосфатного распада глюкозы в тканях разного воз¬раста.

Джиббс и Биверс провели определение величины С6/С1 дыхания растительных тканей разного возраста (1955). Интересно, что только кончики корней давали близкие к еди¬нице величины С6/С1, а по мере удаления от них наблюда¬лось все большее уменьшение этой величины, т. е. у более старых частей корня анаэробная фаза дыхания менее выра¬жена и начинает преобладать путь прямого окисления.

Это подтверждает представления о сильно выраженном глико¬лизе в активных меристемах растений, в частности в кончи¬ках корней.

Джиббс и Биверс в стеблях и листьях различных растений также обнаружили, что по мере старения тканей возрастает доля участия в дыхании «апотомического» распада глюкозы. В этой работе для листьев и стеблей были получены менее высокие цифры изучаемого отношения, чем для корней. Во всех случаях наблюдается одна и та же закономерность: усиление прямого окисления глюкозы при старении. Вместе с изменениями в дыхательном газообмене, сопро¬вождающими рост клеток, и в характере путей распада глю¬козы обнаружены изменения и в ферментных системах, участ¬вующих в дыхании.

Исследованиями В. Кемпвера (1936), Д. Р. Годдарда (1944) и др. было установлено наличие цитохромной системы в эмбриональных тканях растений: зародышах семян и др. П. В. Марш и Годдард ,( 1939) обна¬ружили, что листья разного возраста обладают качественно различными дыхательными системами. Анализируя листья моркови, они наблюдали, что наружные листья розетки мало чувствительны к действию цианидов, азида натра и окиси углерода, средняя часть — уже более чувствительна, а ды¬хание самых молодых, внутренних, листьев розетки, еще не прекративших рост, почти полностью подавляется этими ингибиторами.

Отсюда был сделан вывод, что при старении листьев увеличивается роль дыхательных ферментов, не со¬держащих тяжелых металлов. В то время считалось, что флавиновые ферменты не содержат металлов и что поэтому они не ингибируются ядами металлосодержащих оксидаз. Михлин и П. А. Колесников (1947) провели обстоятель¬ные исследования изменения в дыхательных системах зародыша за период до 6-недельного возраста у нескольких растении из разных семейств: ячменя, табака, свеклы, цико¬рия. Основными методами изучения окислительных систем служили: 1) применение специфических субстратов, 2) ис¬пользование специфических ингибиторов и 3) спектроскопи¬ческие исследования.

Цитохромную систему Михлив и Колесников обнаружили в изолированных зародышах, в проростках и корешках ячменя, в листьях табака (сорт Дюбек). В незеленых частях ячменя цитохром с нашли спектроскопически.

В суспензии из 10-дневных проростков ячменя удалось обнаружить лишь следы цитохрома. О присутствии в зародышах и пророст¬ках ячменя цитохромоксидазы можно было судить по погло¬щению кислорода суспензией после прибавления к ней цито¬хрома с и гидрохинона. Предварительные опыты с изолированными препаратами показали, что для цитохро¬моксидазы преимущественным субстратом из полифенолов является гидрохинон, а для полифенолоксидазы — пирока¬техин.

Результат опыта показал: влияние добавления цитохрома падает с возрастом ткани: у зародышей оно таково, что уве¬личение поглощения кислорода возрастает в несколько раз, у проростков оно значительно меньше и заметно падает с каждым днем. Спектроскопические исследования подтверди¬ли результаты опытов с добавлением цитохрома и гидрохи¬нона; это дало право Михлину (1947, 1956) считать, что после 5—6 дней роста ячменя цитохромная система заме¬няется какой-то другой. В надземных частях ячменя Михли¬ну не удалось обнаружить наличие полифенолоксидазы; прибавление пирокатехина оказывало только тормозящее действие на дыхание.

В листьях же цикория и свеклы была установлена высокая активность полифенолоксидазы. После отравления цианидом у зародышей и корней ячме¬ня в опытах Михлина и Колесникова наблюдалось значи¬тельное «остаточное» дыхание, величина которого оказалась гораздо большей у нерастертых листьев 20-дневного возра¬ста. Таким образом, при развитии ячменя цитохромная система в его тканях постепенно заменяется другой, мало чувствительной к цианидам и, как оказалось в других опы¬тах, совсем не угнетаемой окисью углерода.

Инфильтрованные в листья ячменя аминокислоты, в-оксимасляная кислота, глицериновый альдегид и гипоксантин окисляются даже в присутствии цианидов. Все это позволило авторам считать, что дыхание листьев ячменя осуществляется при активном участии флавиновых ферментов.