CC BY
59
ФИЗИОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ
УДК 581.1
А. А. Липчинский
МОДЕЛЬ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ЭКСПАНСИНОВ ПУТЕМ АКТИВАЦИИ СОЛИТОННЫХ ВОЗМУЩЕНИЙ В МИКРОФИБРИЛЛАХ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ*
Введение
Физиологические механизмы регуляции скорости роста растительной клетки связаны в первую очередь с изменением податливости клеточных стенок действию растягивающего их тургорного давления [10]. Среди них особое место принадлежит механизму кислого роста. Он проявляется в многократном ускорении роста молодых тканей и увеличении растяжимости изолированных из молодых тканей клеточных стенок при понижении pH в стенках в диапазоне значений (от 6,0 до 4,7), характерных для клеточных стенок интактных молодых тканей. Эффект pH-зависимого увеличения растяжимости клеточных стенок можно подавить денатурирующими белки воздействиями [14]. В 1992 г. была показана возможность восстановить реакцию на подкисление инактивированных указанным способом изолированных клеточных стенок путем добавления к ним из нативных стенок определенной группы белков [29], впоследствии названных экспансинами [27].
Современные представления о механизме действия экспансинов
За прошедшие 17 лет выполнено более 500 работ, посвященных исследованию строения, действия и экспрессии экспансинов, основные результаты которых подробно рассмотрены в вышедшем недавно на русском языке обзоре [11]. Мы резюмируем лишь некоторые выводы.
I. Молекула экспансина (после удаления сигнального пептида) содержит два домена. М-концевой домен гомологичен каталитическому домену грибных эндоглюканаз ^Н45). С-концевой домен по содержанию неполярных аминокислот отдаленно напоминает целлюлозосвязывающий домен бактериальных целлюлаз.
II. Продукты гликаназной или трансгликозилазной реакции после действия экспансинов в регистрируемой концентрации обычно не образуются [30, 28, 15, 40].
III. Эффекты экспансинов невозможно имитировать действием гликаназ, в частности, в следующих отношениях.
1. Экспансины увеличивают растяжимость стенки лишь временно, на период их активности. Гликаназы, напротив, необратимо переводят стенку в новое состояние, в ко-
* Работа выполнена при поддержке РФФИ (гранты № 05-04-49619 и 08-04-00566).
© А. А. Липчинский, 2010
тором у нее снижена прочность на разрыв и увеличена способность к растяжению (последний эффект проявляется обычно лишь синергично с действием экспансинов).
2. Экспансины активируют растяжение стенок в относительно низких концентрациях (естественное содержание экспансинов в активно растягивающихся тканях двудольных— 0,02% сухой массы стенок). После искусственного увеличения содержания экспансинов в изолированных стенках выше насыщающего уровня (20 мкг/мл), скорость растяжения меняется мало [29, 37]. Гликаназы, напротив, в низких концентрациях на растяжение стенок эффекта не оказывают, а при повышенных концентрациях после короткой фазы растяжения вызывают обрыв стенок [19].
Растущие клеточные стенки — композит поликристаллических микрофибрилл целлюлозы (25-30% сухой массы), достаточно разнообразных аморфных полисахаридов, подразделяемых на гемицеллюлозы (30-60%) и пектины (10-30%), а также белков (0,5-10%) [10]. Многокомпонентная структура стенки удовлетворяет одновременно весьма различным необходимым для роста, защиты и укрепления клетки механическим свойствам. Естественным следствием сложной организации стенки являются значительные трудности в выяснении элементарных химических процессов, ответственных за то или иное изменение ее физических свойств. Предполагается, что микрофибриллы целлюлозы, расположенные в растущих стенках дисперсно, взаимодействуют друг с другом в основном через молекулы гемицеллюлоз, связанные с микрофибриллами водородными и ван-дер-ваальсовыми связями. Такая целлюлозно-гемицеллюлозная сеть несет в стенке основную механическую нагрузку и, по-видимому, служит мишенью активности экспансинов [18].
D. J. Cosgrove [16, 17] предлагает следующую модель функционирования экспансинов. С-концевой домен экспансина «заякоревает» этот белок на поверхности микрофибриллы целлюлозы, что обеспечивает локализацию области растяжения. N-концевой домен путем конкурентного взаимодействия разрывает нековалентные (ван-дер-ваальсовы и водородные) связи между молекулами гемицеллюлоз и микрофибриллами целлюлозы. Энергия, освобождающаяся при релаксации механического напряжения молекул гемицеллюлоз, является источником работы всего цикла и, в частности, вызывает движение экспансина по поверхности микрофибриллы.
Данная модель логично объясняет отсутствие необратимых изменений механических свойств клеточных стенок после действия экспансинов обратимостью процесса разрыва ван-дер-ваальсовых и водородных связей между полисахаридами. Однако существует ряд экспериментальных данных, которые трудно объяснить в рамках описанной модели. Среди них — гомология N-концевого домена экспансинов каталитическому домену грибных эндоглюканаз, способность экспансинов активировать растяжение в относительно низких концентрациях, функциональная специфичность двух семейств экспансинов, их многогранная роль в несвязанных с ростом процессах.
Ключевую роль в обсуждении предлагаемой нами альтернативной модели действия экспансинов займет обоснование гипотезы о возможности генерации экспансинами подвижных структурно-устойчивых уединенных возмущений, так называемых солитонов, на поверхности микрофибрилл целлюлозы за счет энергии, выделяющейся при гидролизе гликозидных связей.
Строение кристаллической целлюлозы в первичных клеточных стенках
растений
В 1984 г. D. L. VanderHart и R. H.Atalla [38] на основании анализа 13С-ЯМР спектра природной целлюлозы высказали подтвердившееся впоследствии предположение
о существовании как минимум двух типов ее кристаллической укладки — Ia и Ip. По-видимому, в подавляющем большинстве случаев обе указанные формы сосуществуют в одних и тех же организмах и даже, возможно, в пределах одной микрофибриллы [23]. В первичных клеточных стенках цветковых растений оба типа1 целлюлозы встречаются, согласно немногочисленным экспериментальным данным [32, 31, 25, 34], в эквивалентных количествах.
Оба типа целлюлозы I обладают слоистой структурой — внутри одного слоя молекулы связаны водородными связями и силами Ван-дер-Ваальса, между соседними слоями — только силами Ван-дер-Ваальса. В кристалле целлюлозы Ia все молекулы имеют одинаковую конформацию. В кристалле целлюлозы Ip правильно чередуются неэквивалентные слои, образованные то центральными (center), то координатными (origin) молекулами целлюлозы (координатные молекулы задают положение условных граней кристаллографических ячеек).
Проекции соседних молекулярных слоев целлюлозы I на параллельную им плоскость сдвинуты друг относительно друга на половину длины глюкопиранозного остатка аксиально (вдоль микрофибриллы) и примерно на такое же расстояние в радиальном направлении. Поскольку в молекуле целлюлозы соседние глюкопиранозные кольца повернуты друг относительно друга на 180° и наименьшим повторяющимся в пространстве звеном является остаток дисахарида целлобиозы (более того, чередующиеся по ходу молекулы целлюлозы Ia остатки глюкозы имеют разную конформацию), аксиальный сдвиг на половину длины остатка глюкозы может приводить к образованию разных структур. В случае целлюлозы Ia сдвиги сонаправлены, а в случае целлюлозы Ip каждый последующий слой сдвинут в аксиальном направлении противоположно сдвигу предыдущего. Следствием этого оказывается различие в форме кристаллографической ячейки, которая для целлюлозы Ia является триклинной, а для целлюлозы Ip — моноклинной [35]. Объем моноклинной ячейки целлюлозы Ip в 2 раза превосходит объем триклинной ячейки целлюлозы Ia .
Заслуживает внимания анализ причин, приводящих к образованию в естественных условиях указанных нативных форм целлюлозы, тогда как в процессе искусственной перекристаллизации образуются алломорфы, по основным параметрам существенным образом отличающиеся от целлюлозы I. По-видимому, пространственная организация и координированная активность встроенного в плазматическую мембрану целлюлозо-синтазного комплекса создают условия для компактизации и частичной кристаллизации одновременно синтезируемых комплексом 36 молекул целлюлозы, которые в фазе клеточной стенки сплетаются в одну микрофибриллу. Некоторую роль в определении типа кристаллической укладки целлюлозы может играть факт механического сгибания микрофибриллы, которая вблизи формирующего ее комплекса располагается, по-видимому, перпендикулярно плоскости стенки, но под действием окружающих микрофибрилл вынуждена принять продольную ориентацию [24]. Пространственная укладка целлюлозы связана также с типом окружающих ее аморфных полисахаридов. Добавление в среду роста Acetobacter xylinum гемицеллюлоз вызывает снижение содержания целлюлозы Ia [22]. В случае использования глюкоманнана это приводит к уменьшению суммарной кристалличности. В случае внесения ксилоглюкана снижение содержания целлюлозы Ia компенсируется возрастанием доли целлюлозы Ip. Данный результат может служить косвенным указанием на высокую вероятность различия в структуре
1 Поскольку система водородных связей в целлюлозе Ia бактерий и водорослей отличается от системы водородных связей в целлюлозе Ia высших растений, в последнем случае можно использовать термин ^-подобная (Ia-like) целлюлоза [21].
микрофибрилл между злаками и двудольными. Ниже мы отметим важное следствие такого предположения.
Уединенные возмущения в микрофибриллах целлюлозы
Исследования Т. А. Конторовой и Я. И. Френкеля [2] по дислокационному механизму пластичности кристаллов, а также эксперимент Э. Ферми, Дж. Паста и С.Улама [9] по вычислению времени, необходимого для равномерного распределения по степеням свободы сообщенной кристаллической системе энергии, показали потенциальную возможность локализованного распространения возмущений в кристаллах. N. Zabusky и М. Кгшка1 [41] доказали, что некоторые аспекты динамического поведения частиц в кристаллической решетке, акцентированные работой Ферми, Паста и Улама, можно описать уравнением Кортевега-де Фриза как процесс распространения уединенных волн в нелинейной диспергирующей системе. Стационарность таких волн определяется балансом двух факторов: нелинейная зависимость возвращающей в положение равновесия силы от смещения стремится увеличить крутизну профиля волны, в то время как дисперсия, напротив, стремится сделать его более пологим. Следуя Zabusky и Кгшка1 [41], волны, описываемые уравнением Кортевега-де Фриза и аналогичные им процессы (локализованные стационарные или стационарные в среднем возмущения нелинейной энергетически консервативной системы [4]), называют солитонами.
С целью отражения нелинейной зависимости действующих между атомами сил от межатомных расстояний в работах Ферми, Паста, Улама и их последователей вводился положительный ангармонизм. Это означает, что при сближении частиц сила их отталкивания растет быстрее, чем в линейном приближении. Одним из следствий этого обстоятельства является возможность существования в кристаллических системах сверхзвуковых солитонов продольного сжатия.
Выведение из положения равновесия атома полимерной молекулы приводит к возникновению не только продольных сил, но и вращательных моментов [5]. Вследствие этого уже одна геометрия молекулы (т. е. даже при описании взаимодействий между атомами гармоническими потенциалами) может приводить к появлению отрицательного ангармонизма. Поэтому в изолированных полимерных молекулах в качестве нелинейных элементарных сверхзвуковых возбуждений, наряду с солитонами сжатия, возможны солитоны растяжения.
Нелинейные взаимодействия между соседними полимерными цепями являются причиной образования солитонов, переносящих топологический заряд (дефект кристаллической решетки) [6]. В неорганических кристаллах топологические солитоны перемещаются в основном с дозвуковыми скоростями. Однако в кристаллах полимерных молекул вследствие значительной разницы энергий меж- и внутримолекулярных связей вклады межцепного и внутрицепного ангармонизма могут быть соизмеримы, в результате чего топологические солитоны способны перемещаться как с дозвуковыми, так и со сверхзвуковыми скоростями [13, 4].
Рассмотрим возможные параметры уединенных возмущений в рамках нескольких моделей, отражающих определенные аспекты геометрии молекулы целлюлозы. Внутренняя подвижность молекулы целлюлозы реализуется в первую очередь за счет упругой деформации следующих двух элементов (рис. 1, А-В):
1) атом гликозидного кислорода является шарниром, вокруг которого могут вращаться пиранозные кольца;
2) пиранозное кольцо проявляет свойство пружины, допускающей изменение расстояния между соседними атомами гликозидного кислорода.
Л Б В Г
Рис. 1. Схема фрагмента молекулы целлюлозы (Л), ее главных упругих элементов (Б) и механических моделей, отражающих эластичность глюкопиранозного кольца и валентного угла при гликозидном кислороде (В) и эластичность глюкопиранозного кольца и внутримолекулярных водородных связей (Г)
Движениям по указанным степеням свободы противодействуют внутренняя упругость соответствующих элементов и стабилизирующие пространственную структуру молекулы целлюлозы водородные связи (рис. 1, А, Г). Жесткость водородных связей в 30 раз меньше жесткости ковалентных связей. Солитонная динамика в модели изолированной полимерной цепи в конформации транс-зигзаг, учитывающей оба указанных выше характерных для молекулы целлюлозы главных упругих элемента, но без учета мягких водородных связей и с массой, сосредоточенной в узлах цепи, была исследована Л. И. Маневичем и А. В. Савиным (в рамках исследования динамики молекулы полиэтилена) [3]. Солитонная динамика в модели изолированной полимерной цепи, отражающей характерную для целлюлозы систему внутримолекулярных водородных связей, но не упругие свойства шарнирных углов была исследована А. В. Золотарюк и соавторами (в рамках исследования динамики полипептида) [42]. Детализация данных моделей с приближением к строению молекулы целлюлозы сопряжена не только с развитием новых математических подходов, но и использованием недостаточно точно известных из эксперимента энергетических стереохимических параметров глюкопиранозного кольца. Поэтому на вышеуказанных моделях выявим лишь некоторые качественные эффекты, возможные в нелинейной динамике молекулы целлюлозы.
Обозначим время Ь, массу узла М, координаты п-го узла по горизонтальной и вертикальной оси как хп и уп, расстояние между п-м и (п + 1)-м узлами рп, угол при п-м узле 0п, потенциал п-й связи как V (рп) и потенциал п-го угла как и (0п).
Сумма кинетической и потенциальной энергий (гамильтониан) транс-зигзага для модели, представленной на рис. 1, В, записывается следующим образом:
Н = £(М ((дхп/дг)2 + (дуп/д1)2)/2 + V (Рп) + и (0п)). (1)
п
При описании связи между узлами потенциалом Морса, а валентного угла гармоническим потенциалом Маневич и Савин [3] нашли несколько типов солитонных реше-
ний соответствующей данному гамильтониану системы нелинейных дифференциальных уравнений. Обнаруженные солитоны имели характерный колоколообразный профиль (по величинам линейных и угловых смещений) и обладали определенным спектром сверхзвуковых скоростей.
Особый интерес представляют весьма устойчивые солитоны, условно относимые (в соответствии с их скоростью) к первому типу. В области их локализации происходят продольное растяжение и поперечное сжатие молекулярной цепи, валентные углы увеличиваются, а валентные связи растягиваются. С увеличением скорости энергия и амплитуда солитона растут, а ширина уменьшается. В отсутствие внешних возмущений такие солитоны двигаются с постоянной скоростью и полностью сохраняют свою начальную форму. При столкновении солитоны взаимодействуют как упругие частицы — отражение происходит без излучения фононов (квантов упругих колебаний) и изменения формы.
Гамильтониан цепи для модели, представленной на рис. 1, Г, записывается в виде:
Н = Т.(М ((дхп/дг)2 + (дуп/дг)2)/2 + XV (дп) + Ки(гп)), (2)
п
где дп —деформация водородной связи, V(дп) —потенциал водородной связи, гп —деформация ковалентной связи, и(гп)—потенциал ковалентной связи, К —постоянная жесткости, остальные обозначения те же, что и в формуле (1).
При описании жестких валентных связей гармоническим потенциалом, а относительно мягких водородных связей потенциалом Морса Золотарюк и соавторы [42] нашли соответствующее солитонное решение, существующее в сверхзвуковом интервале скоростей. Как и в предыдущем случае, солитон имеет колоколообразную форму. В противоположность модели с учетом угловой жесткости, в данном случае в области локализации солитона происходят продольное сжатие и поперечное растяжение цепи. С увеличением скорости энергия солитона и амплитуды сжатия и растяжения растут, а ширина солитона уменьшается. В основном диапазоне скоростей столкновение соли-тонов происходит как упругих частиц — без излучения фононов и изменения формы. Только при экстремальных скоростях столкновения становятся неупругими.
В работах О. В. Гендельмана и соавторов [21, 1] в рамках модели полимера, представленной на рис. 1, В, рассматривается возможность существования, наряду с вышеописанными (длинноволновыми) солитонами, высокочастотных солитонов огибающих. В этом случае динамика солитона свойственна линии, огибающей верхушки формирующих ее волн. Сами эти волны передвигаются с иной скоростью, чем их огибающая. Наглядной иллюстрацией может служить пример «групповых волн» на поверхности воды. Морякам известно, что волны часто образуют группы из 14-20 волн, причем средняя — самая высокая. Это, кстати, объясняет выражение «девятый вал».
Важный вклад в нелинейную динамику молекулы целлюлозы, наряду с поступательным, может вносить и вращательное движение. Экспериментальные данные, указывающие на то, что в поверхностном слое микрофибрилл целлюлозы некоторые остатки глюкозы повернуты относительно энергетически наиболее выгодной конформации «квазиплоской ленты», получены в работе И. J. Viёtor и соавторов [39]. Динамика крутильных солитонов на моделях молекул полиэтилена и политетрафторэтилена исследована в работах Савина и Маневича [6-8].
В полимерной молекуле, входящей в состав кристалла, структура уединенного возмущения любого типа (сжатие, растяжение, кручение или их комбинация) зависит от элементов симметрии, позволяющих участку молекулы после прохождения по нему
возмущения вновь встроиться в кристалл. Как указывалось выше, в молекуле целлюлозы наименьшим повторяющимся в пространстве звеном является остаток дисахарида целлобиозы. Поэтому один из наиболее простых топологических солитонов представляет собой вращение участка молекулы целлюлозы на 180°, сопровождающееся продольным смещением вращаемого фрагмента на длину остатка глюкозы. Если продольное смещение на длину остатка глюкозы не будет сопровождаться вращением или вращение на 180° будет происходить без продольного смещения, движение соответствующего дефекта будет менять тип кристаллической укладки. В последнем случае дефект представляет собой не солитон, а уединенное возмущение в энергетически активной среде, движение которого сопряжено с рассеянием энергии, выделяющейся при изменении типа кристаллической укладки.
Кристаллическая укладка целлюлозы допускает всего три типа изометрических преобразований, соответствующих трем типам элементарных топологических солито-нов. Кроме описанного выше, два других представляют собой сдвиг фрагмента молекулы на длину остатка целлобиозы (без вращения) или поворот фрагмента на 360° (без продольного смещения). Все остальные типы дефектов кристаллической укладки, движение которых не приводит к изменению кристаллической укладки целлюлозы, представимы как сочетания этих трех элементов.
Механизм действия экспансинов
Результаты исследований свидетельствуют, что действие экспансинов не сопровождается гидролизом полисахаридов, по крайней мере, в пределах чувствительности использованных методов [30, 28, 15, 40]. На основании этого естественным представляется вывод о том, что действие экспансинов не связано с гидролизом полисахаридов. Гомология N-концевого домена экспансинов с каталитическим доменом грибных эндоглюка-наз в рамках такого заключения объяснения не находит. Данное заключение, однако, адекватно только в случае рассмотрения схемы, в которой единственным влияющим на растяжимость клеточных стенок эффектом гидролиза является разрыв несущих механическую нагрузку химических связей. Мы обращаем внимание на другой аспект химической реакции. Если энергия гидролиза гликозидных связей (15 кДж/моль) используется для возбуждения уединенных возмущений, можно ожидать значительно меньшей скорости гидролиза по сравнению с интенсивностью реакций, вызывающих соизмеримое растяжение посредством лишь химического разрушения несущих механическую нагрузку полимеров.
В работе D.J. Cosgrove [17] приводится схематическая диаграмма, качественно иллюстрирующая классическую модель функционирования экспансина (рис. 2). Экспан-син передвигается по поверхности микрофибриллы целлюлозы и посредством разрушения водородных и ван-дер-ваальсовых связей между микрофибриллой и гемицеллюлозой приводит к сопряженному перемещению области изгиба молекулы гемицеллюлозы («гусеничному» движению). Если удалить из схемы молекулу экспансина, область локального разрушения нековалентных связей между макромолекулами может рассматриваться как уединенное возмущение, мобильность которого связана с конфор-мационным напряжением в деформированном участке и осуществляется за счет ранее сообщенной кинетической энергии или благодаря броунированию окружающих молекул. Можно отметить, что распространению термально активируемых солитонов приписывается определенная роль в механизмах функционирования ДНК [20, 12]. Важный вклад в подвижность уединенных возмущений могут вносить также силы натяжения,
Рис. 2. Схематическое изображение классической модели действия экспансина [17]
ЦСД — целлюлозосвязывающий домен экспансина,
КД — каталитический домен экспансина.
испытываемые микрофибриллой целлюлозы со стороны взаимодействующих с ней молекул гемицеллюлоз.
Распространение уединенных возмущений по молекуле целлюлозы может приводить к «стряхиванию» с поверхности микрофибриллы молекул гемицеллюлоз, предварительно находящихся в напряженном состоянии вследствие тургорного давления, и образованию водородных и ван-дер-ваальсовых связей в новом месте (рис. 3). Одно уединенное возмущение способно вызвать релаксацию десятков молекул гемицеллюлоз, взаимодействующих с возбужденной молекулой целлюлозы. При этом феноменологическая картина явления будет выглядеть именно так, как описанные в начале статьи эффекты действия экспансинов. Кроме того, рассматриваемый процесс может облегчить высвобождение из внутренних слоев микрофибрилл внедренных в них гемицеллюлоз. Присутствие гемицеллюлоз внутри микрофибрилл подтверждается, например, результатами работы M. Pauly и соавторов [33].
Молекула экспансина состоит из двух доменов, способных (исходя из их гомологии с целлюлозосвязывающим и эндоглюканазным доменами бактериальных и грибных ферментов) связываться с целлюлозой. Между собой домены соединены лабильным поли-пептидным участком. Можно предположить, что выделяющаяся при гидролизе глико-зидной связи энергия переводит молекулу экспансина в конформационно напряженное состояние, релаксация которого сопровождается движением доменов друг относительно друга. Поскольку эти домены взаимодействуют с микрофибриллой, такое движение способно приводить к возникновению в микрофибрилле уединенного возмущения.
Указанная схема требует высокоспецифичного взаимодействия экспансинов с микрофибриллой целлюлозы и позволяет объяснить существование двух семейств экспансинов (ExpA и ExpB). Действительно, принципиальные отличия в кристаллической укладке двух типов природной целлюлозы (Ia - и Ip-форм) могут обусловить необходимость двух групп взаимодействующих с ними белков.
Среди цветковых растений ExpA преобладают у двудольных, а ExpB у злаков. Согласно традиционным представлениям, существование двух семейств экспансинов связано с различием взаимодействующих с микрофибриллами аморфных полисахаридов. Однако соответствующие аморфные полисахариды по своему химическому строению не группируются в две обособленные группы. Предположение об активации экспан-синами уединенных возмущений в двух типах кристаллической укладки целлюлозы естественным образом разрешает проблему. При этом указанные выше результаты работы J. M. Hackney и соавторов [22] косвенно свидетельствуют о высокой вероятности различия в строении микрофибрилл целлюлозы между злаками и двудольными. Следует, однако, отметить ограниченность доступной в настоящее время информации о
Рис. 3. Иллюстрация модели функционирования экспансинов А — участок молекулы гемицеллюлозы (ГЦЛ) связан с микрофибриллой целлюлозы (МФ); Б — молекула экспансина связывается с микрофибриллой и катализирует гидролиз гликозидной связи в молекуле целлюлозы; выделяющаяся в ходе реакции энергия приводит к возникновению в микрофибрилле солитона (СТ); В — распространение солитона вызывает разрыв водородных и ван-дер-ваальсовых связей между микрофибриллой и находящейся в натянутом состоянии молекулой гемицеллюлозы, после релаксации связи образуются в новом месте. Микрофибрилла изображена в продольном сечении в кристаллической форме 1а, один прямой отрезок соответствует одному остатку глюкозы. Домены молекулы экспансина (ЦСД, КД) обозначены так же, как на рис. 2.
разнообразии полиморфных модификаций целлюлозы в высших растениях, что указывает на необходимость осторожного отношения к предположению о соответствии двух семейств экспансинов двум указанным типам целлюлозы.
Начиная с 1997 г. накапливаются данные о повышенном содержании экспансинов в клеточных стенках созревающих плодов: томатов, дыни, земляники, груши, персика, оливы, манго, вишни [11]. В рамках классической модели действия экспансинов эти результаты адекватной интерпретации получить не могут. В процессе размягчения клеточных стенок созревающих плодов не совершается механическая работа (поскольку растяжения клеток не происходит) и, кроме того, созревание многих плодов сопровождается уменьшением тургорного давления. Поэтому процесс релаксации механического натяжения, постулируемый в традиционной модели как источник энергии для работы экспансинов, на поздних стадиях созревания плодов обеспечить их активность не может. Предложенная нами модель указывает на необходимость включения в схему действия экспансинов экзэргонических реакций гидролиза гликозидных связей. Это предположение, в свою очередь, делает практически неизбежным признание их функционирования путем активации уединенных возмущений, так как малое количество образующихся продуктов гидролиза обязывает к высококонсервативному механизму использования выделяющейся энергии.
Заключение
Достигнутые за последние 15 лет успехи в изучении пространственной структуры целлюлозы и в анализе нелинейной динамики органических макромолекул позволяют рассмотреть возможность функционирования экспансинов путем активации уединенных возмущений в микрофибриллах целлюлозы. Следует, однако, отметить, что внутренняя подвижность целлюлозы может, на наш взгляд, объяснить существенно более широкий круг явлений. В частности, известно, что в процессе мерсеризации — набухания целлюлозы I в щелочи и последующей отмывке, образуется одна из искусственных модификаций целлюлозы — целлюлоза II. В ходе этого процесса специфичная для природной целлюлозы параллельная ориентация соседних молекул изменяется на свойственную целлюлозе II антипараллельную. Хотя процесс мерсеризации уже более века широко используется в промышленности, его механизм до сих пор неизвестен. Более того, несмотря на необратимость перехода целлюлозы I в целлюлозу II, энергия целлюлозы ^ на 4 кДж/моль целлобиозных звеньев ниже, чем целлюлозы II [26]. Это означает, что самопроизвольный переход происходит не только вопреки серьезным стерическим затруднениям, но и с поглощением энергии.
Можно предложить следующее объяснение данному явлению. Природная укладка целлюлозы благоприятствует образованию уединенных возмущений. Конформация целлюлозы II, если и обладает таким свойством, то не столь выраженно. В процессе набухания целлюлоза I вследствие способности к образованию возмущений и обусловленной этим неустойчивости переходит в целлюлозу II. Процесс осуществляется путем перетасовки молекул целлюлозы между соседними микрофибриллами. Самопроизвольное протекание такого эндотермического процесса может быть сопряжено с переходом потраченной на образование возмущений тепловой энергии в потенциальную энергию конформации полимера2.
Специального обсуждения заслуживают вопросы о возможной роли уединенных возмущений в целлюлозе в процессе ее микробиологического гидролиза, а также в механизме сокращения контрактильной древесины натяжения.
Литература
1. Гендельман О. В., Купоросов К.Е., Маневич Л. И. О формировании нелинейных возбуждений солитонного типа при теплопереносе в цепи кристаллического полиэтилена // Вы-сокомолек. соед. А. 2000. Т. 42. С. 2143-2152.
2. Конторова Т. А., Френкель Я. И. К теории пластической деформации и двойникования // ЖЭТФ. 1938. Т. 8. С. 89-95, 1340-1358.
3. Маневич Л. И., Савин А. В. Солитоны растяжения в молекуле полиэтилена // Высоко-молек. соед. А. 1996. Т. 38. С. 1209-1215.
4. Мусиенко А. И., Маневич Л. И. Аналоги релятивистских эффектов в классической механике // УФН. 2004. Т. 174. С. 861-886.
5. Савин А. В., Маневич Л. И., Хри,сти,а,нсен П. Л., Золотарюк А. В. Нелинейная динамика зигзагообразных молекулярных цепей // УФН. 1999. Т. 169. С. 255-270.
6. Савин А. В., Маневич Л. И. Топологические солитоны в кристаллическом полиэтилене // Высокомолек. соед. А. 1998. Т. 40. С. 788-799.
2 Термодинамическое условие самопроизвольного протекания обсуждаемого процесса заключается в требовании убывания в системе энтропийной компоненты энергии Гиббса на величину, превосходящую сопряженное возрастание энтальпии. Убывание энтропийной компоненты энергии Гиббса можно интерпретировать как прямое следствие солитонной подвижности целлюлозы.
7. Савин А. В., Маневич Л. И. Структурные трансформации в кристаллическом полиэтилене: роль топологических солитонов в процессе предплавления // Высокомолек. соед. А. 1998. Т. 40. C. 931-941.
8. Савин А. В. Нелинейные уединенные волны в макромолекуле политетрафторэтилена // Высокомолек. соед. А. 1999. Т. 41. C. 1416-1425.
9. Ферми Э., Паста Дж., Улам С. Исследование нелинейных задач // Ферми Э. Избранные труды. М: Наука, 1977. Т. 2. С. 647-656 (Fermi E., Pasta J., Ulam S. Studies of the Nonlinear Problems (Los Alamos Report LA-1940 (1955)) // Collected Papers of Enrico Fermi, Vol. II, Chicago: University of Chicago Press, 1965).
10. Шарова Е. И. Клеточная стенка растений. СПб.: Изд-во С.-Петерб. ун-та, 2004. 156 с.
11. Шарова Е. И. Экспансины — белки, размягчающие клеточные стенки в процессе роста и морфогенеза // Физиология растений. 2007. Т. 54. C. 805-819.
12. Якушевич Л. В. Нелинейная физика ДНК. М.; Ижевск: НИЦ РХД, 2007. 252 с.
13. Balabaev N. K., Gendelman O. V., Manevitch L. I. Supersonic Motion of Vacancies in a
Polyethylene Ctystal // Phys. Rev. E. 2001. Vol. 64. P. 036702-1-036702-8.
14. Cosgrove D. J. Characterization of Long-Term Extension of Isolated Cell Walls from Growing Cucumber Hypocotyls // Planta. 1989. Vol. 177. P. 121-130.
15. Cosgrove D. J. Enzymes and Other Agents That Enhance Cell Wall Extensibility // Ann.
Rev. Plant. Physiol. Plant. Mol. Biol. 1999 Vol. 50. P. 391-417.
16. Cosgrove D.J. Loosening of Plant Cell Walls by Expansins // Nature. 2000. Vol. 407. P. 321-326.
17. Cosgrove D. J. Expansive Growth of Plant Cell Walls // Plant Physiol. Biochem. 2000. Vol. 38. P. 109-124.
18. Cosgrove D.J. Growth of the Plant Cell Wall // Nat. Rev. Mol. Cell. Biol. 2005. Vol. 6. P. 850-861.
19. Cosgrove D.J., Durachko D.M. Autolysis and Extension of Isolated Walls from Growing Cucumber Hypocotyls // J. Exp. Bot. 1994. Vol. 45. P. 1711-1719.
20. Englander S. W., Kallenbach N. R., Heeger A. J., Krumhansl J. A., Litwin S. Nature of the Open State in Long Polynucleotide Double Helices: Possibility of Soliton Excitations // Prot. Natl. Acad. Sci. USA. 1980. Vol. 77. P. 7222-7226.
21. Gendelman O. V., Manevitch L. I. Linear and Nonlinear Excitations in a Polyethylene Crystal, 1. Vibrational Modes and Linear Equations // Macromol. Theory Simul. 1998. Vol. 7. P. 579-591.
22. Hackney J.M., Atalla R.H., VanderHart D. L. Modification of Crystallinity and Crystalline Structure of Acetobacter xylinum Cellulose in the Presence of Water-Soluble Beta-1,4-Linked Polysaccharides: 13C-NMR Evidence // Int. J. Biol. Macromol. 1994. Vol. 16. P. 215-218.
23. Imai T., Sugiyama J. Nanodomains of I and I Cellulose in Algal Microfibrils // Macromolecules. 1998. Vol. 31. P. 6275-6279.
24. Jarvis M. C. Interconversion of the I and I Crystalline Forms of Cellulose by Bending // Carbohydr. Res. 2000. Vol. 325. P. 150-154.
25. Koh T. N., Melton L. D., Newman R. H. Solid-State 13C NMR Characterization of Cell Walls of Ripening Strawberries// Can. J. Bot. 1997. Vol. 75. P. 1957-1964.
26. Kroon-Batenburg L. M. J., Kroon J. The Crystal and Molecular Structures of Cellulose I and II // Glycocon. J. 1997. Vol. 14. P. 677-690.
27. Li Zh.-Ch., Durachko D. M., Cosgrove D. J. An Oat Coleoptile Wall Protein That Induces Wall Extension in vitro and That is Antigenically Related to a Similar Protein from Cucumber Hypocotyls // Planta. 1993. Vol. 191. P. 349-356.
28. McQueen-Mason S. J., Cosgrove D. J. Expansin Mode of Action on Cell Walls: Analysis of Wall Hydrolysis, Stress Relaxation, and Binding // Plant Physiol. 1995. Vol. 107. P. 87-100.
29. McQueen-Mason S., Durachko D. M., Cosgrove D. J. Two Endogenous Proteins That Induce Cell Wall Extension in Plants // Plant Cell. 1992. Vol. 4. P. 1425-1433.
30. McQuenn-Mason S., Fry S. C., Durachko D. M., Cosgrove D. J. The Relationship between
Xyloglucan Endotransglycosylase and in vitro Cell Wall Extension in Cucumber Hypocotyls // Plan-ta. 1993. Vol. 190. P. 327-331.
31. Newman R.H., Devies L.M., Harris P. J. Solid-State 13C Nuclear Magnetic Resonance Characterization of Cellulose in the Cell Walls of Arabidopsis thaliana Leaves // Plant Physiol. 1996. Vol. 112. P. 475-485.
32. Newman R. H., Ha M.-A., Melton L. D. J. Solid-State 13C NMR Investigation of Molecular Ordering in the Cellulose of Apple Cell Walls // J. Agric. Food Chem. 1994. Vol. 42. P. 1402-1406.
33. Pauly M., Albersheim P., Darvill A., York W. S. Molecular Domains of the Cellulose/Xyloglucan Network in the Cell Walls of Higher Plants // Plant J. 1999. Vol. 20. P. 629-639.
34. Smith B. G., Harris P. J., Melton L. D., Newman R. H. Crystalline Cellulose in Hydrated Primary Cell Walls of Three Monocotyledons and One Dicotyledon // Plant Cell Physiol. 1998. Vol. 39. P. 711-720.
35. Sugiyama J., Vuong R., Chanzy H. Electron Diffraction Study on the Two Crystalline Phases Occurring in Native Cellulose from an Algal Cell Wall // Macromolecules. 1991. Vol. 24. P. 41684175.
36. Sturcova A., His I., Apperley D. C., Sugiyama J., Jarvis M. C. Structural Details of Crystalline Cellulose from Higher Plants // Biomacromolecules. 2004. Vol. 5. P. 1333-1339.
37. Takahashi K., Hirata S., Kido N., Katou K. Wall-Yielding Properties of Cell Walls from Elongating Cucumber Hypocotyls in Relation to the Action of Expansin // Plant Cell Phisiol. 2006. Vol. 47. P. 1520-1529.
38. VanderHart D. L., Atalla R. H. Studies of Microstructure in Native Celluloses Using Solid-State Carbon-13 NMR // Macromolecules. 1984. Vol. 17. P. 1465-1472.
39. Vietor R. J., Newman R.H., Ha M.-A., Apperley D. C., Jarvis M. C. Conformational Features of Crystal-Surface Cellulose from Higher Plants // Plant J. 2002. Vol. 30. P. 721-731.
40. Yennawar N. H., Li L.-Ch., Dudzinski D. M., Tabuchi A., Cosgrove D. J. Crystal Structure and Activities of EXPB1 (Zea m 1), a b-Expansin and Group-1 Pollen Allergen from Maize // Prot. Natl. Acad. Sci. USA. 2006. Vol. 103. P. 14664-14671.
41. Zabusky N. J., Kruskal M. D. Interaction of «Solitons» in a Collisionless Plasma and the Recurrence of Initial States // Phys. Rev. Lett. 1965. Vol. 15. P. 240-243.
42. Zolotaryuk A. V., Christiansen P. L., Savin A. V. Two-Dimensional Dynamics of a Free Molecular Chain with a Secondary Structure // Phys. Rev. E. 1996. Vol. 54. P. 3881-3894.
Статья поступила в редакцию 15 октября 2009 г.
