Фитозообиохимия

Все живые организмы — родственники. Они происходят от общего предка, нуждаются в одном и том же: всем надо дышать, питаться, расти, размножаться, реагировать на внешние воздействия. Свои нужды они удовлетворяют за счёт сходных процессов, в которых нередко принимают участие одни и те же вещества. Растения кажутся очень далекими от животных, и в этом есть доля правды, но что-то животное есть и в них. Так, серотонин, дофамин и некоторые другие вещества, о влиянии которых на психику человека хорошо известно, находят и в растениях. Неужели цветок на вашем подоконнике тоже может грустить и радоваться? И стоит ли тогда подкармливать их, например, антидепрессантами?

Мелатонин: спит растение картошка?

Любой человек часть суток бодрствует, а часть — спит, и попытки пропустить или сократить одну из фаз ведут к проблемам со здоровьем. Процессы в нашем теле неумолимо периодичны, и ежедневным циклом сон-бодрствование руководит большая сеть генов, кодируемых ими белков и веществ других классов, которые образуются при содействии этих белков.

Пожалуй, самое известное соединение-переключатель такого плана — мелатонин, тот самый, который в составе таблеток пьют, чтобы поправить суточные ритмы и, например, быстрее прийти в себя после перелета из одного часового пояса в другой.

У нас мелатонин выделяют шишковидная железа (эпифиз, часть головного мозга) и кишечник, и делают они это в основном в темноте. При высокой концентрации мелатонина проще спать, при низкой — бодрствовать. Помимо этого мелатонин — антиоксидант, и вероятно, что он защищал ДНК клеток от повреждения кислородом и ультрафиолетом еще на заре земной жизни. Его находят не только у животных, но и у одноклеточных организмов, в том числе таких, ДНК которых не окружена дополнительным средством защиты — ядерной оболочкой.

У растений мелатонин тоже нашелся. Из тех, что встречаются в средней полосе России, его много (десятки тысяч нанограмм на грамм сухой массы) в молодых мяте, мелиссе, шалфее и тысячелистнике, а также в сушеных корнях вербены. Кроме того, он часто встречается у видов, характерных для горного альпийского пояса, и у обитателей Средиземноморья. В листьях и стеблях некоторых растений, наоборот, мелатонина очень мало, не больше нанограмма на грамм сухой массы, либо его вообще не получается выявить.

Если бы мелатонин был нужен растениям как переключатель «сна» и «бодрствования», содержание этого вещества в них, вероятно, у разных видов различалось бы не так сильно. Кроме того, он бы вырабатывался периодически: в темное время суток интенсивнее, на свету — в меньших количествах. Но такое ежедневное колебание концентрации обнаружили лишь у горстки видов: мари красной, винограда и эйхорнии.

Скорее всего, основное назначение мелатонина у цветковых растений — защищать организм от неблагоприятных воздействий, в первую очередь от активных форм кислорода, и от ультрафиолета. Это объясняет, почему его много у горных и средиземноморских видов: вспомните, как часто бывают нужны солнцезащитные кремы и очки в горных походах, при катании на сноуборде или горных лыжах, ну или, в конце концов, летом в Италии.

У любимого физиологами растений арабидопсиса (резуховидки) Таля, а также у дурмана и люпина мелатонин активирует работу генов, позволяющих справиться с действием низких температур, а у риса — высоких.

Нашелся и растительный рецептор к мелатонину — CAND2/PMTR1. Этот белок встроен в мембраны клеток, и действие на него мелатонина приводит к тому, что растение закрывает устьица — щели в покровах листьев (а иногда и других надземных частей растения). Поскольку через них из листа может выходить вода, закрытие устьиц помогает максимально ее сохранить.

И хотя «сонным» веществом растений мелатонин, судя по всему, не является, кое-какой покой он им обеспечивает. В семенах он не дает собраться микротрубочкам веретена деления и этим мешает разнести хромосомы по новым ядрам — а следовательно тормозит деление клеток и рост зародыша. Когда содержание мелатонина падает, семя выходит из периода покоя (но в этом замешаны и другие вещества).

Серотонин: жгучие чувства и крапива

Серотонин — известный под именем «гормон радости» — это нейромедиатор, концентрация которого важна для поддержания нормального, не подавленного, эмоционального состояния. Он же — тканевый гормон, запускающий сокращение гладких мышц в различных внутренних органах.

У цветковых растений — а у них нет ни мышц, ни тем более эмоций — серотонин тесно связан с созреванием и старением. Его много (до нескольких десятков микрограммов на грамм сырой массы, без вычета воды) в плодах грецкого ореха, пекана, банана, сливы, вишни и томата, но по мере созревания содержание серотонина в них падает. Высокие его уровни находят также в цитоплазме клеток старых корней и побегов риса и мимозы.

Как и мелатонин, серотонин защищает растительный организм, только немного по-другому. Его концентрация тоже повышается в ответ на стресс, а кроме того, он накапливается в растительных средствах обороны — например, вносит вклад в жгучесть волосков крапивы. Кроме того, серотонина много в листьях риса, заражённых какими-либо патогенами. Там он встраивается в стенки клеток и тем самым укрепляет их.

Роль своеобразного нейромедиатора, вероятно, серотонин играет и у растений. Его вместе с норадреналином — у нас это вещество активирует работу мозга и мышц для реакций борьбы и бегства — в значительных количествах находят в листьях мимозы стыдливой, горошка посевного и альбиции. Эти бобовые могут двигать усиками и складывают листья при касании, изменении освещенности или какой-либо другой стимуляции.

Ну а где серотонин, там и антидепрессанты. Многие из них в организме человека влияют на обратный захват серотонина нервными клетками или его разрушение в этих клетках. При этом не все молекулы «антидепрессивных» действующих веществ разлагаются в организме пациентов: некоторые выходят с мочой в неизменном виде. Из канализации они попадают в водоемы и почву и оттуда добираются до местных растений и животных. Известно, что рыбы и водные моллюски накапливают антидепрессант флуоксетин (а также диклофенак и триклозан — обезболивающее и обычный компонент бытовой химии соответственно).

Растения, как выяснилось на примере плевела и огородной редьки, тоже аккумулируют подобные вещества. Но как флуоксетин действует на зеленые организмы, неизвестно: перемещения серотонина по растению пока не слишком подробно изучены, и есть вероятность, что механизмов обратного захвата молекул этого вещества, аналогичных животным, у растений просто нет. В таком случае антидепрессанты вроде прозака, в котором флуоксетин выступает действующим веществом, вряд ли влияют на перемещения и активность серотонина в растительном организме.

Леггемоглобин: договор «на крови»

У людей и ряда других животных гемоглобин — белок-переносчик кислорода, он содержится в красных кровяных тельцах, эритроцитах. Но растениям, у которых каждая зеленая клетка сама делает себе кислород, такой белок вряд ли нужен. Он мог бы пригодиться разве что для корня, к которому обычно не приходит свет (а значит, и фотосинтеза, в ходе которого получается кислород, там не идет), или для внутренностей одревесневших стеблей. Но кислород может перемещаться по жидкостям растительного тела свободно, без связи с белками, и этого обычно хватает для жизнеобеспечения: в конце концов, обмен веществ у растений далеко не такой интенсивный, как у животных.

И тем не менее применение гемоглобину в зеленых организмах нашлось. Оно касается корней — тех из них, что связаны с бактериями-симбионтами, способными переводить азот в удобоваримую для растений форму. Эти организмы — их называют азотфиксаторами — дают растениям соединения азота, которые те могут использовать для построения белков и других органических веществ, а растения, в свою очередь, поставляют азотфиксаторам богатые энергией соединения, которые «собрали» в ходе фотосинтеза.

Особая форма гемоглобина — леггемоглобин, в от английского leguminous hemoglobin, гемоглобин бобовых, — образуется клетками утолщений корней и других частей бобовых растений, где сидят бактерии-азотфиксаторы. Как и обычный гемоглобин, он содержит железо и придает тканям красный цвет.

Захватывая молекулы кислорода, леггемоглобин доставляет их к бактериям и тем самым бесперебойно обеспечивает их газом, нужным для дыхания — и забирает свободный кислород, снижающий эффективность работы нитрогеназы, главного фермента в фиксации азота.

Функционально животный и растительный гемоглобин похожи, а кодирующий эти белки ген был еще у общего предка двух групп организмов. Но они заметно отличаются в плане порядка аминокислот. У растений ген гемоглобина

тотальной перестройке, и последовательность нуклеотидов в нем совпадает с последовательностью животной версии только в 20 процентах случаев. Ко всему прочему, у каждого вида она индивидуальна.

Пептидные гормоны: деление и защита

Ростом, содержанием глюкозы в клетках, кровяным давлением, созреванием сперматозоидов и яйцеклеток, чувством сытости и даже привязанностями и оргазмом у нас управляют пептидные гормоны — небольшие белки или их фрагменты. Их выделяют гипоталамус, гипофиз, надпочечники, желудок и кишечник.

Растениям большая часть этих функций недоступна и не нужна. Даже самые ярые сторонники наличия у них разума пока не берутся утверждать, что при опылении цветы пребывают в сладостной неге, да и умереть от апоплексического удара зеленые организмы не могут. Так что пептидные гормоны им нужны немного для других целей — но главное, что эти вещества у растений тоже есть. По составу они не совпадают с нашими. А жаль! Если бы, скажем, обнаружился вид с высоким содержанием инсулина, его можно было бы использовать как источник этого гормона. Но инсулин у растений пока не нашли.

У пасленовых вроде томатов, табака, стручкового перца и картофеля пептидные гормоны системины мобилизуют клетки на защиту от насекомых. Соединение со сложным названием CLAVATA3 содержится в «стволовых клетках» образовательных тканей разных видов и управляют их делением и ростом. А пептид ENOD40 (ранний нодулин) помогает бобовым образовывать клубеньки, в которые заселяются уже знакомые нам бактерии-азотфиксаторы.

Богатый серой белок SCR выделяют клетки редьки, репы и других растений из рода капуста. Их он спасает от самооплодотворения — слияния собственных половых клеток, при котором принципиально новых комбинаций генов у потомства не получается, а энергии и времени на создание половых клеток уходит много — намного проще было бы тогда отрастить какой-нибудь вегетативный орган и размножиться им. Также SCR помогает справляться с грибами-паразитами.

Амилоиды и прионы: повсюду опасность

Нейромедиаторы и гормоны — это, конечно, хорошо, но кроме них существует много других важных соединений — в том числе гибельных для организма. Речь о прионах — инфекционных белках, которые подобно воннегутовскому Льду-9 «навязывают» всем молекулам одного с ними состава патологическую форму, уничтожающую все живое на своем пути. Принимая определенную конформацию, безвредные или полезные для организма белки начинают вызывать повреждения клеток и тканей, и те становятся похожи на губку. Мозги погибших от прионных заболеваний — к примеру, губчатой энцефалопатии — наглядно это демонстрируют.

Прионные болезни невозможно вылечить, а белки, которые их провоцируют, настолько устойчивы, что их с первого раза не берет даже варка. При этом для прионов не существует видовых барьеров, и белки коров или мышей могут навредить человеку, и только собаки по странному стечению эволюционных обстоятельств получили защиту от смертоносного действия прионов. Так что прионы в растениях тоже теоретически опасны.

На практике выяснилось, что травы всасывают корнями прионы из почвы, на которую помочились или опорожнились больные коровы и олени. Из корней эти вещества попадают в остальные части растения — стебли, листья и прочее. Если ими накормить хомячков, они тоже заболеют.

Собственные прионы растения, судя по всему, тоже производят. Растительные кандидаты на звание прионных белков — люминидепенденс, регулирующий интенсивность экспрессии генов в зависимости от сезона (по крайней мере, это показали опыты на дрожжах, а как он действует в самих растениях, еще точно не известно), и один из фрагментов белка ELF3, нужный, чтобы ощущать температуру.

Скорее всего, конкретно эти прионы не способны нанести человеку вред. В конце концов, и нам некоторые «родные» прионы нужны для благих целей, например запоминания информации. У растений, вероятно, прионоподобные соединения тоже могут что-нибудь хранить. Совсем недавно, летом 2020 года, российские ученые обнаружили такие вещества в семенах гороха. Амилоидоподобный белок вицилин, как и все остальные белки, содержит азот, но невероятная устойчивость вицилина делает его особенно удобным хранилищем азота.