Разрушение полимеров клеточных стенок

Проникновение в клетку возможно только после преодоления барьера клеточной стенки, которая подобно прочному каркасу поддерживает протопласт клетки, защищая его от механических и осмотических повреждений.

Основной компонент клеточной оболочки — углеводы. В стенке растений обнаружено 9 моносахаридов: 3 гексозы (D-глюкоза, D-галактоза и D-манноза), 2 пентозы (L-арабиноза и D-ксилоза), 2 уроновые кислоты (D-глюк- уроновая и D-галактуроновая) и 2 дезоксигексозы (L-рамноза и L-фукоза). Они формируют различные полимеры друг с другом, а также с пептидами (гликопротеины). В клеточной стенке клена белокорого (явора) процентное содержание различных полимеров следующее: целлюлоза — микрофибриллы из линейных полимеров глюкозы (pi-4 глюканов), соединенных друг с другом по всей длине водородными связями — 23 %; рамногалактуронан — линейный полимер метилированной поли-галакт- уроновой кислоты (а 1-4 полигалактуронан), изредка чередующейся с рамнозой, — 16 %; галактан — разветвленный (а 1-4, pi-б) полимер галактозы — 9 %; арабинан — разветвленный (al-5, 1-3) полимер арабинозы — 9 %; ксилоглюкан — a 1-4 глюкан с разветвлениями из ксилозы, галактозы и фукозы — 19 %; ксилан — al-4 ксилан с ответвлениями арабинозы и глюкуроновой кислоты — 5 %; гликопротеин — пептид с высоким содержанием аминокислоты ок- сипролина, соединенный через оксипролины с цепочками из 4-х молекул арабинозы — 19%.
Эти полимеры соединены друг с другом ковалентными или водородными связями, образуя сложную сеть, из которой сложены первичная стенка



растущей клетки, вторичная (более жесткая) стенка, определяющая форму клетки, и срединная пластинка — межклеточный цемент, склеивающий отдельные клетки в ткани. Таким образом, углеводы клеточной стенки определяют не только форму клетки, но и форму всего органа, а, в конечном счете, и всего растения.
Исторически по способности экстрагироваться различными растворителями полимеры клеточной стенки разделяют на целлюлозу (линейные фибриллы Р-глюкана), гемицеллюлозу (разветвленные полимеры ксилана, ксилоглюкана, арабинана и др.) и пектин — (рамногалактуронан). Целлюлозные балки, погруженные в гемицеллюлозный матрикс, делают клеточную стенку растений подобной железобетонной конструкции. Веточки ге- мицеллюлозных молекул одними концами соединяются с целлюлозой, а другими — с пектином, обеспечивая единую систему (рис. 6.2). Из рамно- галактуронана (пектина) построена и срединная пластинка.
Во вторичной стенке откладывается также трехмерный полимер фенольных спиртов — лигнин, речь о котором была выше.
Ферментами, разрушающими целлюлозу (целлюлазы), гемицеллюлозу (ксиланазы) и пектин (пектиназы), обладают многие фитопатогенные грибы и бактерии. Активные целлюлазы имеют древоразрушающие грибы; у паразитов травянистых растений наиболее активны пектиназы, а компоненты эк- тотрофной микоризы не способны разрушать ни целлюлозу, ни пектин.
Пектолитические ферменты паразитов появляются в зараженном растении первыми. Разрушая пектин, они а) разрывают связи между отдельными молекулами целлюлозы, нарушают композицию клеточной стенки и



обеспечивают доступ к протопласту; б) при сильном воздействии на стенку (у некротрофов) вызывают гибель протопластов вследствие осмотических эффектов (клетки, находящиеся в состоянии плазмолиза, не погибают); в) разрушая пектин срединных пластинок, обеспечивают продвижение паразита внутри растения, а при сильном воздействии (при некротрофии) вызывают мацерацию и распад ткани; г) используют продукты деградации пектина в качестве углеводного питания.
Пектиназы грибов и бактерий имеют различные механизмы воздействия на молекулу пектина и разную субстратную специфичность.
Пектин-метил эстеразы (ПМЭ). Деметилируют полигалактуронид с образованием полигалактуроновой кислоты (рис. 6.3). Свободные карбоксильные группы обычно в растении соединяются с двухвалентными металлами (Са2+), образуя соли — пектаты. В сосудах ксилемы, пораженных сосудистыми инфекциями, пектаты кальция поглощают воду и образуют набухающие гели — эмболы, препятствующие ксилемному току и являющиеся одной из причин инфекционного увядания растений.
Полигалактуроназы (ПГ). Вызывают распад полигалактуронида вследствие гидролиза глюкозидных связей между мономерами (рис. 6.3). По месту действия ферменты разделяют на эндоПГ., осуществляющую разрывы по всей молекуле пектина и отщепляющая олигогалактурониды разной длины, и экзоПГ, которая отщепляет димеры от нередуцированных концов пектинового полимера.
Пектатлиаза (ПЛ). Катализирует трансэлиминативный распад пектина на олигогалактурониды; в отличие от действия ПГ, в данном случае образуются продукты с двойными связями. Ее вариант пектинлиаза (ПНЛ) отличается субстратной специфичностью к высоко метилированному пектину.

180              Дальнейший распад молекулы пектина осуществляется с помощью


других ферментов по схеме (Collmer, 1986):



Большинство фитопатогенных грибов и бактерий продуцируют несколько пектолитических ферментов, каждый из которых может кодироваться семейством генов и существовать в нескольких изоформах, различающихся оптимумом pH, температуры и другими свойствами.

Например, бактерия Erwinia (Dickeya) chrysanthemi продуцирует несколько изоформ ПЛ с ИЭТ (изоэлектрическими точками) от 4,5 до 10 и экзоПГ с ИЭТ 8,5.
Они образуют два кластера: pelA, pel D, pelE и pelB, pelC.
Пектиназы многих грибов также клонированы, что позволило исследовать их структуру. Так, клонированный ген ПМЭ Aspergillus niger содержит 6 интронов и кодирует белок из 314 аминокислот, имеющий 30 % гомологии с ПМЕ фитопатогенной бактерии Erwinia (Dickeya) chrysanthemi. Все клонированные гены ПГ грибов имеют размеры 1100-1350 пар нуклеотидов, от одного до четырех интронов (ПГ Sclrotinia sclerotiorum не имеет интронов) и 60-65 % гомологии по аминокислотным последовательностям. ПЛ гены аспергиллов, Nectria haematococca и Glomerella cingulata чрезвычайно разнообразны по структуре (числу и расположению интронов) и имеют низкую взаимную гомологию.
Большинство фитопатогенных грибов продуцирует несколько пектолитических ферментов, каждый из которых может кодироваться семейством генов и существовать в разных изоформах, различающихся оптимумом pH, температуры, субстратной специфичности. Эти свойства могут обусловливать возрастную и тканевую специализацию патогенов. Например, всходы фасоли, в клеточных стенках которых пектин метилирован, более восприимчивы к ризоктониозу, чем зрелые растения, у которых пектин содержится главным образом, в форме пектата кальция. ПГ гриба Rhi- zoctonia solani активно деградирует эстерифицированный пектин, но не пектаты, чем и обусловлена устойчивость взрослых растений.

Вышесказанное, по-видимому, является причиной чрезвычайно слож- 181 ного генетического контроля ферментов фитопатогеиных грибов, осуществляющих деградацию углеводных полимеров. Так у паразита кукурузы Cochliobolus carbonum описаны, по крайней мере, две ПГ, кодируемые двумя генами, три глюканазы (два гена), пять ксиланаз (четыре гена), из которых xyll экспрессируется in vitro и in planta, xyl2 — только in vitro и xyl3 — только in planta. У паразита корневой системы многих растений Phytopthora cinnamomi эндоПГ образует большое семейство, включающее, по крайней мере, 19 членов. Интересно, что ПГ оомицетов из рода Phytopthora по структуре ближе к грибным, чем к растительным или бактериальным. Из пяти генов ПГ Botrytis cinerea один экспрессируется конститутивно, остальные — индуцибельны; по-видимому, их индукция происходит под влиянием олигогалактуронидов, образующихся в результате воздействия неинду- цибельного фермента. Благодаря большому разнообразию ферментов и кодируемых их генов исключение отдельных ферментов вследствие мутаций не приводит к драматическому снижению патогенности, вследствие компенсационного действия остальных. У гриба Magnoporthe grisea двойная мутация генов xyll и ху12 вызывает активацию (или экспрессию) «молчащих» генов, кодирующих дополнительные ксиланазы.
Регуляция синтеза пектиназ осуществляется по принципам субстратной индукции и катаболитной репрессии. Синтез ПЛ у эрвиний индуцируется препаратом клеточных стенок растений, очищенным полигалактурони- дом и продуктами его деградации (особенно активный индуктор — дига- лактуронид). Согласно предложенной модели (Colmer, 1986), ПЛ и экзоПГ в низком уровне продуцируются без индукции, освобождая димеры. Если условия среды оптимальны для ПЛ (высокий уровень pH, наличие бивалентных катионов), то накапливаются ненасыщенные дигалактурониды, в иных условиях под действием экзоПЛ накапливаются насыщенные. Димеры индуцируют высокий уровень экспрессии ферментов. В присутствии энергетически более выгодного катаболита (глюкозы, например) пектиназы не образуются. Исключение из этой схемы составляет фермент ПНЛ, который у фитопатогенных бактерий индуцируется не пектином, а агентами, повреждающими ДНК (УФ-лучами и др.).
Экспорт пектиназ из клетки у большинства фито патогенных организмов осуществляется вследствие наличия в их молекулах участков, обеспечивающих перенос через мембрану и отщепляемых в процессе переноса клеточными протеазами. У Е. chrysanthemi экспорт ПЛ осуществляется в два этапа: сначала фермент секретируется через внутреннюю мембрану в периплазменную область, как описано выше, затем с помощью продукта гена out переносится через наружную мембрану (клеточную стенку).
Клонирование пектиназных генов у фитопатогенных бактерий и некоторых грибов {Aspergillus, Fusarium) позволило не только установить их структуру и особенности экспрессии, но и перенести их в непатогенные виды и формы микроорганизмов. Во многих лабораториях некоторые pel- гены эрвиний были перенесены в кишечную палочку, которая после этого

182 приобретала способность не только мацерировать срезы клубней картофеля, но заражать всходы, вызывая типичные симптомы бактериальной болезни «черная ножка» и накапливаться в зараженных растениях. При этом, как симптомы болезни, так и размножение бактерий в восприимчивых к бактериозу сортах картофеля были более интенсивными, чем в устойчивых. Таким образом, пектатлиазы — истинные факторы патогенности фитопатогенных бактерий из рода Erwinia.
Менее исследованы неферментные пути деградации клеточной стенки растений патогенами. У растений обнаружен белок экспансии, вызывающий разрушение стенки путем ослабления нековалентных взаимодействий ее компонентов. Такой же белок обнаружен и у нематоды Globodera rostochiensis, причем был показан его эффект на растительную клеточную стенку. 

Еще по теме Разрушение полимеров клеточных стенок:

1. УЧАСТИЕ ПОЧВЕННЫХ МИКРООРГАНИЗМОВВ РАЗРУШЕНИИ И НОВООБРАЗОВАНИИ МИНЕРАЛОВ
2. Участие почвенных микроорганизмов в разрушениии новообразовании минералов
3. 2.1. КЛЕТОЧНАЯ ТЕОРИЯ
4. 2.2. ТИПЫ КЛЕТОЧНОЙ ОРГАНИЗАЦИИ
5. Проблема клеточного деления
6. 8.5.2. Проявление старения на молекулярном, субклеточном и клеточном уровнях
7. 4.2. КЛЕТОЧНЫЕ МЕХАНИЗМЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ НАСЛЕДСТВЕННОСТИ И ИЗМЕНЧИВОСТИ У ЧЕЛОВЕКА
8. Рост организма путем клеточного деления (митоз)
9. РАЗДЕЛ II КЛЕТОЧНЫЙ И МОЛЕКУЛЯРНО-ГЕНЕТИЧЕСКИЙ УРОВНИ ОРГАНИЗАЦИИ ЖИЗНИ — ОСНОВА ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ ОРГАНИЗМОВ
10. ГЛАВА 4 КЛЕТОЧНЫЕ И МОЛЕКУЛЯРНО-ГЕНЕТИЧЕСКИЕ МЕХАНИЗМЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ СВОЙСТВ НАСЛЕДСТВЕННОСТИ И ИЗМЕНЧИВОСТИ У ЧЕЛОВЕКА