Этилен и его свойства

Этен индуцирует в побегах эпинастию - изменение угла наклона черешка к стеблю, в результате которого листья опускаются вниз, уходят от прямого действия солнечных лучей. При этом листья меньше нагреваются и меньше испаряют воды. Этен индуцирует образование на стеблях корней, которые не выполняют поглощающей функции, но осуществляют специфические синтетические процессы, необходимые для нормального функционирования побега, в том числе восстанавливают снабжение надземных органов цитокининами. Кроме того, этен индуцирует образование в стебле аэренхимы - ткани, по которой О2 попадает из стеблей в корни и обеспечивает их нормальную жизнедеятельность. Этот пример хорошо иллюстрирует, как этен обеспечивает адаптацию растений к условиям кислородной недостаточности в зоне корней, возникающей при затоплении почвы.

При нормальном протекании жизни растений этен активно синтезируется в созревающих плодах и стареющих листьях. Это понятно: он индуцирует созревание плодов, старение и опадение листьев. Однако высокий уровень синтеза этена характерен также для меристематических тканей - зон клеточного деления. Это пока трудно объяснить. Синтез этена в растениях вызывают высокие концентрации ауксина, что происходит на уровне индукции генов АЦК-синтазы. Синтезированный этен подавляет реакции, вызываемые ауксином. Например, в определенном диапазоне концентраций ауксин активирует рост корня. Их превышение индуцирует синтез этена, который подавляет рост корня. Таким образом, этен включается в контроль растением действия ауксина по принципу обратной связи. Этен выполняет такую же роль и в реакциях растений на высокие концентрации цитокининов.

Успех в изучении механизма  восприятия и передачи этиленового  сигнала был достигнут на растениях Arabidopsis thaliana (резушка Таля). Это излюбленный объект генетиков и молекулярных биологов растений, подобно плодовой мушке-дрозофиле у генетиков животных.

Арабидопсис обладает самым маленьким среди изученных растений геномом (совокупность генов данного организма) - всего 120 млн пар оснований, что составляет 3% от генома человека. Диплоидная клетка содержит всего 5 пар хромосом. В отличие от других растений ДНК арабидопсиса содержит мало нуклеотидных последовательностей, которые не принимают непосредственного участия в кодировании белка. У арабидопсиса сравнительно короткий жизненный цикл - около 6 недель. Он дает очень много мелких семян. Само растение тоже небольшое, что позволяет работать с ним в стерильных условиях, выращивая растения в колбах. Все это создает большие преимущества арабидопсиса как модельной системы для изучения генома растений. Правительством США создана специальная программа и выделены фонды для определения нуклеотидной последовательности полного генома арабидопсиса. Исследование генома арабидопсиса важно потому, что существует много общего в геномах всех 250 000 видов растений. Это позволяет выделить интересующий ген из арабидопсиса, а затем, используя его в качестве зонда, извлечь соответствующий ему ген из другого растения с более сложной компанией генома.

В настоящее время получено большое число мутантов арабидопсиса с повреждением единичного гена. Эти мутанты позволяют изучать генетику роста и развития, фотосинтеза, ответ растений на внешние воздействия и генетику метаболических цепей. В частности, в США получены мутанты арабидопсиса, нечувствительные к этену. Их обработка этеном не давала типичного ответа проростков на С2Н4: у мутантов в отличие от дикого типа (не мутантных растений) не происходило подавление роста стебля в длину, его утолщение и подавление роста корня. Этен не вызывал у мутантов активации этиленчувствительных генов, например генов хитиназы, не ускорял старения листьев и не вызывал эпинастии. Все это позволило предполагать, что поврежден ген рецептора, через который проявляются все реакции растений на этен. Полученные мутанты позволили перейти к выделению генов восприятия и передачи этиленовых сигналов.

Исследования, проведенные  М. Холлом (Англия) и Э. Сислером (США), показали, что:

1) клеткам растений присуща  способность обратимо связывать этен,

2) ингибирование этого  процесса приводит к подавлению  типичных реакций растений на  этен,

3) этиленсвязывающий белок находится в клеточной мембране.

Исследование нечувствительных к этену мутантов арабидопсиса подтвердило, что у них резко снижено связывание этена. Это позволяло ожидать, что у мутантов поврежден ген рецептора этого гормона. Большой прогресс был достигнут в результате работ нескольких групп американских исследователей, включая А. Бликера, Дж. Еккера, Х. Клея.

Один из генов, вызывающих нечувствительность к этену, выделен и клонирован А. Бликером. Затем ген был введен в клетки дрожжей, в которых и осуществлен синтез кодируемого геном белка. Этот белок придавал клеткам дрожжей способность связывать этен, которая отсутствовала у контрольных дрожжей. Связывание происходило с той же кинетикой, что в клетках растений, и подавлялось теми же ингибиторами. Все это позволяло заключить, что в дрожжах синтезирован рецептор этена. Он представляет собой белок, который образует димер, две субъединицы которого соединены дисульфидным мостиком. Установление нуклеотидной последовательности гена позволило вывести из нее аминокислотную последовательность кодируемого им белка. Белок проявил высокую гомологию с бактериальной гистидиновой протеинкиназой, входящей в состав бикомпонентной сигнальной системы бактерий. Она называется бикомпонентной потому, что действует в два этапа и включает в себя два белка: сенсор и эффектор.

На первом этапе принятый сенсорной гистидиновой протеинкиназой сигнал возбуждает активность фермента и приводит к фосфорилированию в его молекуле всего одного гистидинового остатка, расположенного в строго определенном участке молекулы, высоко консервативном у всех гистидиновых протеинкиназ. На втором этапе функционирования бикомпонентной сигнальной системы фосфатная группа передается с гистидинового остатка на остаток аспарагиновой кислоты, расположенной у бактерий обычно в другом белке. В результате фосфорилирования он активируется и приобретает способность регулировать активность генов, включая одни из них и выключая другие. Таким путем осуществляется ответ клетки на принятый сигнал. Гистидиновые протеинкиназы, входящие в состав бикомпонентной сигнальной системы, широко распространены у бактерий и участвуют в их реакциях на изменение осмотических условий среды, концентрации в ней необходимых метаболитов, в явлениях хемотаксиса и взаимодействии с хозяином. В эукариотических клетках широко распространены сериновые и треониновые протеинкиназы, которые фосфорилируют у белков определенные сериновые и треониновые остатки, и тирозиновые протеинкиназы, фосфорилирующие тирозиновый остаток. Гистидиновая протеинкиназа считалась специфичной для бактерий, однако она обнаружена также у дрожжей, где участвует в ответе на солевой стресс, и у млекопитающих. Установленная А. Бликером принадлежность арабидопсиса к гистидиновым протеинкиназам является первым сообщением об их присутствии у растений. Анализ аминокислотной последовательности ETR1, выведенной из нуклеотидной последовательности его гена, обнаруживает в белке три различные части. Одна из них (расположена на N-конце молекулы) отличается высокой гидрофобностью. Она уникальна по своей структуре, не имеет в банке данных аналогов с другими белками. Эта часть молекулы локализована в мембране и ответственна за связывание этена. Далее в молекуле расположена гистидиновая протеинкиназа, которая должна фосфорилировать 353-й гистидин и далее передавать фосфатную группу на 659-й остаток аспарагиновой кислоты, расположенной ближе к С-концу молекулы. Судя по аминокислотной последовательности, в молекуле этиленового рецептора содержатся и сенсорная и эффекторная части бикомпонентной сигнальной системы бактерий. Кстати, такая ситуация встречается и у бактерий.

Генетические опыты показали, что у арабидопсиса за рецепторным белком в системе переноса этиленового сигнала должен быть расположен белок, блокирующий в норме прохождение сигнала. Мутация по его гену приводит к морфологическим изменениям у арабидопсиса, которые могли бы возникнуть при постоянном включении этиленовой программы. Этот белок репрессирует этиленовые программы у дикого типа. Изучение первичной структуры (аминокислотной последовательности) белка показало его принадлежность к семейству широко распространенных у эукариот серин / треониновых протеинкиназ, участвующих в так называемом МАР-киназном каскаде (МАР от англ. mitogen activated protein), в котором последовательно одна киназа фосфорилирует другую и тем самым активирует ее для фосфорилирования следующей протеинкиназы в цепи передачи сигнала на белки хроматина.

Таким образом установлено, что в передаче этиленового сигнала в клетках арабидопсиса принимают участие сигнальные системы как бактериального (гистидиновая протеинкиназа - рецептор этена), так и эукариотического типа (репрессор передачи сигнала, серин / треониновая протеинкиназа, относящаяся к МАР-киназному каскаду). Необходимы исследования для выяснения конкретного взаимодействия в клетках этих регуляторных систем. Цепочка последующих этапов передачи этиленового сигнала еще не изучена. Она может быть достаточно сложной и включать в себя, например, так называемые G-белки, что показано в лаборатории М. Холла. Эти белки присоединяют к себе GTP (гуанозинтрифосфат) и в результате приобретают способность к передаче сигналов от одного белка к другому.

Известно, что в конечном счете этен включает определенные генетические программы, обеспечивающие специфический ответ на него растения. Например, индукция этеном защитных реакций растений на патоген включает в себя активацию генов b-1,3-глюканазы, щелочной хитиназы, РR-белков, халкон-синтазы и богатых оксипролином гликопротеинов. Этого не происходит у нечувствительных к этену мутантов. В настоящее время несколько этилениндуцируемых генов хорошо изучены и найдены регуляторные элементы (российский рубль) в ДНК их промоторов, которые ответственны за включение генов этеном. Эти RUB имеют общие нуклеотидные последовательности у разных этилензависимых генов. Обнаружены белки, способные узнавать RUR этилениндуцируемых генов, представляющие собой, по-видимому, трансфакторы, взаимодействие которых с деревянный включает гены. В этих белках имеется общая аминокислотная последовательность (59 аминокислотных остатков), обеспечивающая их связывание с ДНК. Допускают, что эти белки могут быть мишенью для рассмотренного выше сигнального каскада, хотя это еще необходимо доказать. Поэтому на схеме, суммирующей все приведенные сведения о возможном механизме действия этена, стрелки, идущие к трансфакторам, показаны пунктиром. В основу представленной схемы положена одна из гипотез А. Бликера. Исследования механизма действия этена развиваются настолько быстро, что нет сомнения в том, что в ближайшее время будет выяснена вся цепь событий от взаимодействия этена с его рецептором до включения этилениндуцируемых генетических программ.

Достигнутый на Arabidopsis thaliana прогресс в изучении этиленового рецептора и его гена позволил выделить соответствующий ген из генома томатов и синтезировать в дрожжевой системе закодированный в нем белок со свойствами рецептора этена (Х. Клей). Этот белок ТАЕ1 организован по тому же принципу, что и ETR1 у арабидопсиса. Кроме того, у томатов выделены другие гены, гомологичные etr1 арабидопсиса, но имеющие определенные отличия от него (Х. Клей). Исследования на арабидопсисе и томатах показали, что, по-видимому, рецепторы этена кодируются мультигенным семейством, отдельные гены которого по-разному экспрессируются в ходе роста и развития растений.

Получение

Этен впервые был получен немецким химиком Иоганном Бехером в 1680 году при действии купоросного масла на винный спирт. Вначале его отождествляли с "горючим воздухом", т.е. с водородом. Позднее, в 1795 году этен подобным же образом получили голландские химики Дейман, Потс-ван-Труствик, бонд и Лауеренбург и описали под названием "маслородного газа", так как обнаружили способность этена присоединять хлор с образованием маслянистой жидкости - хлористого этена ("масло голландских химиков").

Изучение свойств этена, его производных и гомологов началось с середины ХIХ века. Начало практическому использованию этих соединений положили классические исследования А.М. Бутлерова и его учеников в области непредельных соединений и особенно созданная Бутлеровым теория химического строения. В 1860 году он получил этен действием купрума на йодистый метилен, установив структурную формулу этена.

Основной метод получения  этена - пиролиз жидких дистиллятов черного золота или низших парафиновых углеводородов. Реакцию обычно проводят в трубчатых печах при 750-900 °С и давлении 0,3 МПа. В Российской Федерации, Западной Европе и Страны восходящего солнца сырьем служит прямогонный бензин; выход этена около 30% с одновременным образованием значительного количества жидких продуктов, в том числе ароматических углеводородов.

При пиролизе газойля выход  этена 15-25%. В США основное сырье - легкие алканы (этан, пропан, C4H10), что обусловлено их высоким содержанием в природном газе месторождений Северной Америки; выход этена около 50%.

Разработан метод получения  этена из метана:

2СН4 С2Н4 + Н2;

Реакцию проводят на оксидах Mn, Tl, Cd или Рb при 500-900 °С в присутствии кислорода. Газы пиролиза разделяют дробной абсорбцией, глубоким охлаждением и ректификацией под давлением.

Наиболее чистый этен получают дегидратацией этанола при 400-450 °С над А12О3; этот метод пригоден для лабораторного получения этена.

Источником промышленного  получения этена является пиролиз различного углеводородного сырья, например, этана, пропана, бутана, содержащихся в попутных газах добычи нефти; из жидких углеводородов — низкооктановые фракции прямой перегонки черного золота. Выход этена – около 30%. Одновременно образуется пропен и ряд жидких продуктов (в том числе ароматических углеводородов).