Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦIОНАЛЬНА АКАДЕМIЯЯ НАУК УКРАЇНИ

IНСТИТУТ БIОХIМII iм. О. В. ПАЛЛАДIНА

УДК. 577.12+577.115+547.915.5+661.715

ПОВЕРХНЕВІ ЛІПІДИ ЗЕРНА СОРГО І КУКУРУДЗИ

03.00.04 - біохімія

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата біологічних наук

ДІУФ МАМАДУ

Київ 2002

Дисертація є рукописом

Робота виконана на кафедрі біофізики та біохімії Дніпропетровського національного університету

Науковий керівник: доктор біологічних наук ШТЕМЕНКО Наталія Іванівна Дніпропетровський національний університет, зав.каф.біофізики та біохімії.

Офіційні опоненти: доктор біологічних наук, професор СТАРОДУБ Микола Федорович, Завідувач відділу біохімії сенсорних і регуляторних систем Інституту біохімії ім. О.В. Палладіна НАН Украіни;

Кандидат біологічних наук, старший науковий співробітник ОКАНЕНКО Олександр Аркадійович, старший науковий співробітник кафедри фізіології рослин Київського національного університету ім. Тараса Шевченко

Провідна установа: Чернівецький національний університет ім. Юрія Федьковича, кафедра біохімії, МОН, м. Чернівці

Захист відбудеться “ 21” жовтня 2002 року о 14 годині на засiданнi спецiалiзованої вченої ради Д 26.240.01 в Iнститутi бiохiмiї iм. О. В. Палладiна НАН України за адресою: 01601, Київ-30, вул. Леонтовича, 9.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Iнституту бiохiмiї iм.О. В. Палладiна НАН Украiни за адресою: Київ, вул. Леонтовича, 9

Автореферат розісланий “20” вересня 2002 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

кандидат бiологiчних наук КIРСЕНКО O.B.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Поверхневі ліпіди (ПЛ) рослин - гетерогенна суміш складних естерів (восків), алканів, алканолів, оксосполук і мінорних компонентів, яким властива гідрофобність внаслідок значної величини (С₁₃ - С₃₆) нерозгалуженого вуглеводневого радикала [Bianchi 1987-1989, Prasad 1990, Reinhart 1991, 1993]. Вважають, що основною функцією ПЛ є захист фотосинтетичного апарату від УФ-опромінення і проникнення гідрофільних токсикантів. У роботах наукової групи Дніпропетровського національного університету [Штеменко, Берзеніна 1996-2001] розроблені нові підходи до вивчення ПЛ, виявлені біохімічні особливості формування ПЛ хвойних. Дані про склад і функції ПЛ насіння в літературі обмежені [Bianchi 1979,1984] і наведені тільки для деяких сортів кукурудзи і одного сорту сорго. У той же час відомо, що епікутикулярний шар гідрофобних молекул може виконувати не тільки захисну функцію від опромінення і токсикантів, але також бути бар'єром для патогенів і комах [Jenks 1995]. Особлива увага в роботі приділена сорго - одній із основних сільськогосподарських культур батьківщини автора - Сенегалу. Застосування сучасних хроматографічних, спектральних та інших методів для вивчення ПЛ насіння сорго і кукурудзи актуальне не тільки з погляду встановлення складу ПЛ та їх функцій, що являє собою одне із фундаментальних завдань біохімії, але також є база для виявлення можливих взаємозв'язків мiж складом ПЛ i стійкостю насіння, що є однією з найважливіших фізіолого-біохімічних проблем і може бути використане у селекційно-генетичній роботі.

Зв'язок роботи з науковими темами. Робота виконувалась у рамках бюджетних тем лабораторії біохімії НДІ біології і кафедри біофізики і біохімії ДНУ “Разработка биотехнологии получения веществ из растительного сырья для практического использования” (0196U00259), “Исследование процессов формирования липидного и белкового комплексов растений” (0199U00129), які входять до координаційного плану № 15 Міністерства освіти і науки, “Розробка біотехнології отримання речовин ліпідної природи із рослинної сировини для практичного використання” (0196U000259).

Мета і завдання дослідження. Метою роботи було встановлення класового й внутрішньокласового складу поверхневих ліпідів зерна сорго і кукурудзи, яке має відмінності в біохімічних характеристиках, а також визначення можливих шляхів біосинтезу ліпідних молекул в епідермальних тканинах насіння двох видів злаків.

Для досягнення мети були поставлені такі завдання:

1) вивчити спектральні, молекулярно-динамічні характеристики та компонентний склад ПЛ насіння сорго (7 видів) і кукурудзи (4 види);

2) дослідити склад вуглеводнів і жирних кислот поверхневих ліпідів зерна сорго і кукурудзи;

3) виділити оксосполуки із поверхневих ліпідів зерна сорго у вигляді 2,4 - динітрофенілгідразонів і визначити їх склад.

Об'єкт дослідження - біохімічний склад поверхневих тканин насіння злаків. біохімічний ліпід зерно сорго

Предмет дослідження - стигле зерно сорго (Sorghum) і кукурудзи (Zea mays L.).

Методи дослідження -хроматографія, спектроскопія, функціональним, мас-спектрометрія.

Наукова новизна отриманих результатів. Вперше описано склад основних класів ПЛ зерна сорго й кукурудзи і виявлено відмінності інтенсивності біосинтезу ліпідних молекул в епідермальних тканинах насіння двох видів злаків. Отримані нові дані, які демонструють, що основними класами ПЛ сорго є оксигеновані сполуки, а у ПЛ кукурудзи - складні естери. Доведено зв'язок між складом ПЛ та спектральними й молекулярно-динамічними характеристиками ПЛ. Показано, що склад вуглеводнів і жирних кислот ПЛ зерна сорго й кукурудзи має міжвидові і внутрішньовидові особливості за насиченістю, молекулярною масою, співвідношенням компонентів з парною і непарною кількістю атомів вуглецю. На основі отриманих результатів висунуто припущення про можливі напрямки біосинтезу компонентів ПЛ у поверхневих тканинах насіння рослин.

Практичне значення отриманих результатів. Результати проведених досліджень дозволяють більш глибоко зрозуміти зв'язки між хімічним складом ПЛ зерна рослин різних видів і формуванням гідрофобного біохімічного бар'єра, здатного виконувати захисні функції. Виконані дослідження і висновки значно розширюють уявлення про механізми функціонування різних біосинтетичних процесів в епідермальних тканинах рослин і можуть бути основою спрямованої селекції рослин на цінні сільськогосподарські ознаки.

Особистий внесок здобувача. Особистий внесок здобувача у виконанні представленої роботи полягає у підготовці й проведенні експериментальних досліджень, інтерпретації отриманих результатів. Усі використані в дисертації експериментальні матеріали отримані при безпосередній участі автора. Мас-спектрометричні дослідження виділених автором зразків проведені в Міжнародному центрі наукових досліджень Лейпціг - Хаале ГМБХ (Німеччина).

Апробація результатів дисертації. Матеріали, викладені в дисертаційній роботі, були представлені на міжнародних конференціях: І Міжнародна конференція “Наука і Освіта'98''. 23-30 квітня 1998 р. Україна “SECO TOX'98'' International Conference on Ecotoxicology and Environmental Safety. Antalya, Turkey V-e Conference Internationale France et Ukraine, Experience Scientifique et Praсtique dans le contexte du Dialogue des Cultures Nationales. Dnepropetrovsk, Ukraine, 1998 Міжнародна конференція ''Питання біоіндикації і екології'', 21-24 вересня 1998, Запоріжжя, III Регіональна конференція молодих учених та студентів з актуальних питань хімії, 21-25 травня 2001, Дніпропетровськ.

Публікацїі. За матеріалами дисертації опубліковано 8 робіт, із яких 3 статті, надруковані в провідних спеціалізованих виданнях.

Структура і об'єм роботи. Дисертаційна робота складається із вступу, огляду літератури, матеріалів і методів дослідження, результатів роботи і їх обговорення, узагальнення результатів досліджень, висновків, списку використаної літератури (154 роботи, у тому числі 107 іноземними мовами). Дисертація викладена на 123 сторінках, містить 14 рисунків і 24 таблиці.

Основний зміст роботи

У вступі обгрунтована актуальність теми і сформульована мета дослідження.

У першому розділі розглянуті відомі на сьогодні дані про склад поверхневих ліпідів насіння рослин, наведені основні біохімічні характеристики зерна сорго і кукурудзи.

У другому розділі описані матеріали і методи дослідження.

У третьому розділі наводяться результати дослідження і їх обговорення.

У четвертому розділі узагальнюються отримані результати і обгрунтовуються висновки.

Матеріали і методи дослідження

Матеріалами дослідження було стигле зерно сорго (Sorghum) сортів Зетра-83, Судзерн-62, Цукрове ДНВ-45, Стрілець-68, Соріз, Степовий-5 і Карликове-45, вирощених у Дніпропетровському інституті зернового господарства УААН, а також стигле зерно кукурудзи (Zea mais L.) гібрида Піонер 3983, лінії кукурудзи ДЛ 300, ДЛ 308, ДЛ 309, які мають відмінності у стійкості до Fusarium moniliforme Флоря 1983.

Екстракцію ПЛ проводили за схемою Гусакова 1986. Тонкошарову хроматографію здійснювали на платівках “Silufol” (Чехія) за [Прохорова 1965]. Інфрачервоні спектри вивчали на спектрометрі Speсord UR-20 у вигляді суспензії речовини у вазеліновому маслі на оптичному склі із броміду кальцію.

Гідроліз сумарних ПЛ, реекстракція і отримання жирних кислот проводили за Кейтс 1975].

Газо-рідинну хроматографію жирних кислот проводили за [Руденко 1971] і [Шаршунова 1980]. Розподіл жирних кислот здійснювали у вигляді метилових естерів.

Диференційний термічний аналіз (ДТА) зразків проводили на дериватографі системи [Паулік-Паулік-Ердей 1987] марки Q-1500 D (МОМ) у динамічному режимі в умовах звичайного теплообміну в інтервалі температур10-500 ⁰С, із швидкістю нагрівання 100 ⁰/хв, еталон - Al₂O₃,_, при масі зразків 0,1 г і реєстрацією кривих ДТА з максимальною чутливістю.

Оксосполуки отримували за реакцією з 2,4-динітрофенілгідразином після розчинення сумарних ПЛ в етанолі [Органікум 1979]. Оксосполуки аналізували шляхом кількісного осаду 2,4-динітрофенілгідразонів. Зважували сухі гідразони і перераховували на вміст оксосполук.

Мас-спектрометричний аналіз 2,4-динітрофенілгідразонів проведено у Міжнародному Центрі наукових досліджень Лейпциг-Хаале ГМБХ (Лейпциг, Німеччина) на мас-спектрометрі Х'юлетт-Паккард НР-5.

Статистичну обробку даних здійснено за [Лакин 1980].

Результати роботи і їх обговорення

1. Біохімічні характеристики зерна сорго і кукурудзи, що досліджувались. Для дослідження були відібрані насіння рослин із широким спектром фізіолого-біохімічних характеристик перикарпу. Насіння кукурудзи були відібрані згідно зі стійкістю до Fusarium moniliforme, яку виміряли при штучному зараженні початку: гібрид Піонер 3983 (90%), лінії ДЛ 300 (80%), ДЛ 308 і ДЛ 309 (20%). Показано, що кiлькість вільних амінокислот, вилучених із нерозмеленого зерна кукурудзи згідно розробленим ранiше тестом [Вінниченко 1991] зворотньо корелює зі стійкістю (табл.1).

Таблиця 1

Величини оптичних щільностей (D) екстрактів вільних амінокислот із зерна сорго і кукурудзи, (на 1 г сухої маси)

№ п/п	Сорт сорго	D	Сорт кукурудзи	D
1	Цукрове ДНВ 42	2,460,03	ДЛ 300	8,320,08
2	Сориз	4,530,04	ДЛ 308	19,312,92
3	Карликове-45	3,850,06	ДЛ 309	18,962,03
4	Степовий-5	6,440,03	Піонер 3983	6,470,01
5	Зетра-83	4,540,04
6	Судзерн-62	7,850,04
7	Стрілець-68	3,450,06

Р?0,05

Оскільки цей показник для сорго не був визначальним, підбір сортів проводився за кількістю танінів у зерні (табл.2).

Таблиця 2

Вміст танінів у зерні сорго (%)

Назва сорту	Таніни
Цукрове ДНВ-42	47,03 0,09
Соріз	9,08 0,01
Карликове-45	54,35 0,03
Степовий-5	14,41 0,04
Зетра-83	11,25 0,02
Судзерн-62	7,07 0,02
Стрілець-68	23,15 0,04

Р? 0,05

Відомо, що вміст танінів корелює зі стійкістю насіння сорго до зовнішніх факторів, зокрема до патогенів [Перуанський 1989]. Два сорти - Карликове-45 і Цукрове ДНВ-42 більш ніж удвічі перевищують інші зразки за цим параметром, тобто можуть вважатися найстійкішими.

2. Спектральні і ТШХ - характеристики поверхневих ліпідів зерна сорго і кукурудзи. Методом ТШХ отримано дані про вміст ПЛ у зерні досліджуваних рослин (табл. 3).

Таблиця 3

Вміст класів поверхневих ліпідів зерна сорго і кукурудзи, у % до загальної кількості

Зразок	Клас поверхневих ліпідів, %
	алкани	оксосполуки	спирти	естери	вільні жирні кислоти
Сорго Цукрове ДНВ 42	2,150,04	57,352,34	16,140,24	5,030,09	19,330,.12
Сорго Соріз	1,180,03	28,151,15	25,130,18	3,240,06	42,301,98
Сорго Карликове 45	1,240,03	27,181,24	29,140,15	4,180,07	38,261,54
Сорго Степовий 5	2,180,04	14,180,09	19,240,09	4,240,08	60,762,94
Сорго Зетра 83	2,130,04	27,181,32	20,150,12	5,340,24	45,202,14
Сорго Судзерн 62	1,340,03	25,141,18	24,340,15	6,140,20	43,042,01
Сорго Стрілець 68	1,270,02	55,142,15	17,150,11	5,240,18	21,200,56
Кукурудза ДЛ 309	6,180,08	сл	31,150,14	55,120,20	7,550,10
Кукурудза ДЛ 308	7,340,12	сл	29,180,16	56,130,22	7,350,09
Кукурудза ДЛ 300	8,140,15	сл	21,140,18	70,340,23	0,380,01
КукурудзаПіонер	6,240,14	4,180,02	14,150,12	80,150,28	-

Р? 0,05

Наведені дані показали, що зерно кукурудзи вкрите переважно естерами (до 80%), власне восками, які в зерні сорго містяться у незначній кількості (до 6%). Натомість для сорго характерна перевага оксосполук.

Такі значні відмінності у складі сполук, які містять карбонільну групу, виявляються в області поглинання карбонільної групи в ІЧ - спектрах (табл. 4).

Таблиця 4

Співвідношення інтенсивностей смуг поглинання ПЛ зерна сорго і кукурудзи за даними ІЧ спектроскопії

Полоса поглинання (см-1)	кукурудза	сорго
	ДЛ 308	ДЛ 309	Піонер 3978	Судзерн	Цукрове	Карликове
1626	1	1	1	1	1	1
1640	-	-	-	-	1,02	1,06
1653	0,40	-	0,54	-	1,04	1,13
1670	-	-	-	1	1,04	-
1680	-	-	-	1,06	-	-
1707	1,42	1,54	2,09	1,56	-	-
1726	1,24	1,45	1,04	1,59	1,83	2,13
1740	0,15	0,28	0,45	0,72	1,63	1,8

ІЧ-спектри карбонільних сполук в ПЛ сорго представлені більшою кількістю смуг поглинання, ніж в ПЛ кукурудзи, що підтверджує більшу класову гетерогенність перших. Отже, кількість смуг в області поглинання карбонілу може бути показником ступеня оксигенації компонентів ПЛ. Поглинання в цій області ІЧ-спектрів можна віднести на рахунок карбонілів альдегідів, кетонів і карбоксильної групи карбонових кислот Беллами 1963.

Очевидно, що ІЧ - спектри ПЛ зразків мають значні відмінності, що вказує на різний якісний склад оксосполук і жирних кислот або на різне співвідношення цих речовин в ПЛ зерна сорго сортів, що вивчалися.

3. Вуглеводні поверхневих ліпідів зерна кукурудзи і сорго. Спектр вуглеводнів зерна кукурудзи представлений компонентами від С₂₅ до С₃₃. Якщо умовно розподілити його на дві частини - низькомолекулярну і високомолекулярну (починаючи з С₂₅), то стає очевидним, що в ПЛ стійких форм синтезується майже на 50% більше ніж високомолекулярних компонентів:

С₃₀- і С₃₁-алкани повністю відсутні в нестійких формах, а вміст С₂₉- і С₃₁ алканів у них значно знижений.

Цей факт демонструється композитними хроматограмами стійкої (Піонер 3978) і нестійкої (ДЛ 309) форм (рис. 1).

Порівняння якісного складу вуглеводнів ПЛ зерна кукурудзи у зразках, які мають відмінності щодо стійкості до інфекційних захворювань, показує, що в ПЛ нестійких зразків відбувається різкий зсув у бік низькомолекулярних компонентів. Раніше подібне явище було виявлено при вивченні впливу мутантного гена опейк-2 на фізіолого-біохімічні характеристики зерна кукурудзи: мутація, яка призводить до підвищення поживної якості кукурудзи, одночасно знижувала адаптивний потенціал рослин, що супроводжувалося зниженням молекулярної маси компонентів ПЛ [Штеменко 1994]. Тобто “високолізиновий синдром” - підвищена чутливість рослин до захворювань - супроводжувалася зниженням ефективності процесів елонгації вуглеводневого ланцюга ліпідних компонентів.

ГЖХ-спектри вуглеводнів ПЛ зерна сорго і кукурудзи демонструють значні відмінності за вмістом компонентів з парною кількістю атомів вуглецю: в ПЛ сорго їх значно більше (табл. 5).

Таблиця 5

Склад вуглеводнів поверхневих ліпідів зерна сорго, у % до суми

Вуглеводні	Зразок зерна сорго
	Стрілець 68	Соріз	Зетра 83	Степо вий 5	Судзерн 62	Цукрове ДНВ 42	Карлико ве 45
С16	5,0+ 0,02	-	-	-	-	-	-
С18	2,4+ 0,05	-	-	-	-	1,8+0,08	-
С19	-	-	-	-	1,9+0,04	2,5+0,02	-
С20	-	-	-	-	2,0+0,05	2,0+0,09	-
С21	-	-	-	1,3+0,07	-	2,8+0,05	-
С22	-	-	8,1+0,08	4,4+0,09	-	1,8+0,07	-
С23	-	6,3+0,07	6,5+0,03	3,5+0,05	-	2,0+0,06	4,2+0,02
С24	-	9,5+0,04	6,5+0,06	-	-	-	3,4+0,05
С25	-	4,5+0,02	-	-	1,8+0,08	3,3+0,07	61,0+0,04
С26	83,7+ 0,05	-	-	-	47,8+ 0,04	44,1+ 0,09	4,6+0,07
С27	1,5+ 0,07	-	42,3+ 0,08	37,3+ 0,03	4,5+0,08	14,5+ 0,09	3,0+0,12
С28	-	-	2,3+0,03	3,1+0,07	-	-	1,7+0,09
С29	6,4+ 0,03	-	19,5+ 0,05	40,0+ 0,02	24,2+ 0,04	24,9+0,06	8,4+0,03
С30	1,0+ 0,04	-	14,8+ 0,05	10,3+ 0,07	16,1+ 0,04	-	-
С31	-	76,9+0,02	-	-	-	-	17,68+ 0,08
Парні	92,1	9,5	31,7	17,8	65,9	49,7	9,7
Непарні	7,9	90,5	68,3	82,2	34,1	50,3	90,3

У деяких зразках сорго неполярних компонентів з парною кількістю атомів вуглецю виявилося більше ніж з непарною, що є досить незвичайним фактом, який на даний час в літературі ще не описаний.

За співвідношенням компонентів з парною і непарною кількістю атомів вуглецю дослідні зразки можна розподілити на дві групи: 1) група, де основними є парні компоненти (Стрілець 68, Судзерн 62); 2) група, де більше непарних компонентів (Соріз, Зетра 83, Степовий 5, Карликове 45). Цукрове ДНВ-42 характеризується приблизно рівномірним співвідношенням компонентів з парною і непарною кількістю атомів вуглецю.

Отримані дані свідчать про значний вплив генотипу рослин на співвідношення складу вуглеводнів ПЛ сорго.

4. Жирні кислоти поверхневих ліпідів зерна сорго і кукурудзи. Наведені результати отримані методом, який дає інформацію про сумарний склад (зв'язані + вільні) жирних кислот [Берзеніна 2000].

Жирні кислоти ПЛ зерна сорго представлені спектром сполук з вуглеводневим радикалом від С₁₄ до С₂₂ (табл.6).

Таблиця 6

Склад жирних кислот ПЛ зерна сорго, % до суми

№ п/п	Жирна кислота	Карликове-45	Степовий-5
1	С14	сл.	1,03 + 0,01
2	С15	5,49 + 0,08	6,18 + 0,07
2	С16	2,18 + 0,04	3,15 + 0,04
4	С17	19,27 + 0,16	10,24 + 0,16
5	С18	4,15 + 0,07	3,18 + 0,07
6	С19	5,04 + 0,44	9,99 + 0,40
8	С20	4,03 + 0,07	5,16 + 0,08
9	С21	15,00 + 0,07	22,14 + 0,02
10	С22	24,44 + 0,78	28,03 + 0,82
11	С24	20,40+0,64	10,00+0,16
Парні	60,69	50,55
Непарні	39,31	49,45

Характерною рисою ПЛ сортів, наведених у табл. 6, є наявність значної кількості парних жирних кислот, особливо бегенової (С₂₂) і лігноцеринової (С₂₄). У ПЛ інших сортів зерна сорго бегенова кислота знаходиться в значно менших кількостях, а непарні жирні кислоти переважають.

Існує думка, що бегенова кислота бере участь у процесах естерифікації і входить виключно до складу естерів [Bianchi 1984]. Проте наші дані відносно присутності її великої кількості в зразках, де фракції жирних кислот становлять значну частку ПЛ, дозволяють стверджувати, що вона може знаходитися в ПЛ у вільному стані.

На відміну від ПЛ сорго, у ПЛ зерна кукурудзи знайдені ненасичені жирні кислоти (табл. 7), представлені олеїновою і лінолевою кислотами.

Таблиця 7

Вміст олеїнової, лінолевої, насичених і ненасичених жирних кислот в ПЛ зерна кукурудзи, % до суми

Жирні кислоти	ДЛ 300	ДЛ308	ДЛ 309	Піонер 3978
С18:1	4,15 0,05	4,05 0,05	12,56 0,09	14,54 0,10
С18:2	2,16 0,03	2,15 0,03	6,13 0,05	7,24 0,05
Ненасичені	6,31	6,20	18,69	21,78
Насичені	93,69	93,80	81,31	78,12
Співвідношення ненасичені/ насичені	1:14,1	1:15,2	1:4,0	1:3,5

У стійких формах кількість цих жирних кислот значно більша, тобто рівень десатурації (ненасиченості) ПЛ стійких форм вищий, ніж у нестійких. Оскільки біосинтез жирних кислот включає відомі біохімічні шляхи, отримані нами дані демонструють видоспецифічність процесів елонгації, в-окиснення і десатурації в епідермальних тканинах зерна вивчених видів рослин.

5. Оксосполуки поверхневих ліпідів зерна сорго. У табл. 8 подано дані вмісту оксосполук у поверхневих ліпідах сорго, отримані методом функціонального аналізу, а саме - шляхом переведення оксосполуки у 2,4-динітрофенілидразони.

Таблиця 8

Вміст оксосполук у зерні сорго різних видів, мг/1000 зерен

№ п/п	Вид сорго	Вміст оксосполук
1.	Стрілець 68	70,25 ± 0,11
2.	Соріз	41,13 ± 0,10
3.	Зетра 83	44,25 ± 0,12
4.	Степовий 5	27,18 ± 0,09
5.	Судзерн 62	30,56 ± 0,07
6.	Цукрове ДНВ 42	82,14 ± 0,10
7.	Карликове 45	43,15 ± 0,11
	Р?0,05

Зразки №1 - Стрілець 68 і №6 - Цукрове ДНВ 42, містять майже вдвічі більше оксосполук, ніж інші. Оксосполуки - це одна з найменш вивчених фракцій ПЛ рослин. У літературі зустрічаються дані про кількісний вміст цих сполук у ПЛ рослин, але відомості про їх склад (наприклад, про положення оксогрупи) є предметом дискусій.

Результати ТШХ 2,4-динітрофенілгідразонів ПЛ зерна сорго свідчать, що останні розподіляються переважно на два компоненти - І і ІІ. Обидва компоненти було виділено препаративно і визначено їх структури мас-спектрометричним методом. Встановлено, що їм відповідають С₂₈- і С₃₀-альдегіди.

6. Дослідження поверхневих ліпідів методом ДТА. Дані, які було отримано в результаті дослідження класового і внутрішньокласового складу ПЛ насіння, дозволяють зробити висновок, що ПЛ насіння двох філогенетично близьких видів рослин мають відмінності за молекулярною масою і полярністю. Тому доцільним було застосовувати метод ДТА, який дозволяє оцінити молекулярно-динамічні властивості сумарних ПЛ при зміні температури. Для дослідження обрали ПЛ зразкiв, які мають найбільш контрастні відмінності у класовому складі (табл. 9).

Таблиця 9

Результати термогравіметричних досліджень поверхневих ліпідів зерна кукурудзи і сорго

Рослина/сорт	I Ендо-ефект без втрати маси, оС	II Ендо-ефект без втрати маси, оС
	Інтервал температур, оС	min, оС	Інтервал температур, оС	min, оС
Сорго Цукрове ДНВ 42	-	-	65-85	76
Сорго Стрілець 68	-	-	63-84	75
Сорго Степовий 5	37-45	-	61-85	71
Сорго Судзерн 62	37-45	-	62-80	70
Кукурудза Піонер 3978	32-40	-	67-79	70

За даними ДТА досліджені зразки розподіляються на три групи. I група сорго Цукрове ДНВ 42 і Стрілець 68, у яких основну частину складають оксосполуки з відносно низькою молекулярною масою. Виявлено один ендотермічний ефект в області високих температур з широким інтервалом (20-21^оС), характерний для переходу твердої фази в рідинну (плавлення). Внаслідок низької молекулярної маси і високої полярності ці речовини сильно асоційовані, а їх значна гетерогенність обумовлює широкий температурний інтервал фазового переходу.

II група - зразки сорго Степовий 5 і Судзерн 62, у яких міститься вдвічі менше полярних сполук, але молекулярна маса приблизно така ж, як і в I групі. Встановлено два ендотермічні ефекти: перший без фіксованого мінімуму в низькотемпературній області, характерний для переходу кристалічної фази в аморфну; другий аналогічний ендоефект, його було встановлено у зразках 1-2.

В окрему III групу ми віднесли зразок ПЛ кукурудзи, де практично повністю відсутні оксосполуки і переважають складні естери. Характеристики фазових переходів цього зразка можна пояснити підвищеною гідрофобністю і меншою здатністю до полярних, гідрофільних взаємодій компонентів.

Наявність першого ендотермічного переходу корелює з наявністю класу складних ефірів. Складні естери, власне воски - найбільш високомолекулярні компоненти і можуть виконувати роль зшивок у поверхневому шарі для утворення ідеального покриття, яке включає існування кристалічної і аморфної фази.

Молекулярно-динамічні характеристики ПЛ, які отримали за допомогою ДТА, таким чином, обумовлені молекулярною масою їх компонентів і здатністю до гідрофільних взаємодій.

7. Узагальнення результатів дослідження. Проведені нами дослідження дозволяють обговорити можливу схему шляхів біосинтезу компонентів ПЛ насіння двох видів злаків (рис. 2).

Основними компонентами ПЛ насіння кукурудзи є естери, тому найбільш суттєвою частиною загальної схеми біосинтезу компонентів ПЛ буде система елонгації-декарбоксилювання-2 (ЕД-2 система). Найбільш інтенсивно система елонгації працює до С_22:0 і С_24:0 -ацилСоА (шлях 1), а також до С _32:0,С _30:0 -ацилСоА, який в подальшому буде відновлюватися до С_32:0, С_30:0-алканолів (шлях 4-7). Шлях 3 - в-окиснення жирних кислот - не є особливо суттєвим для ПЛ зерна кукурудзи, хоча жирні кислоти з непарною кількістю атомів вуглецю присутні в них у незначих кількостях. Основними жирними кислотами, які здебільшого існують у вільному стані, є гепта- і нонадеканова кислоти.

У формуванні ПЛ зерна сорго основну роль виконує ЕД-1 система, яка призводить до утворення незв'язаних компонентів (рис.3).

Біосинтез альдегідів С₂₈- і С₃₀- в ПЛ сорго може проходити шляхом 1', який включає відновлення жирних кислот, якщо вихідна жирна кислота має парну кількість атомів вуглецю. Шлях 5'-8' логічно менш вірогідний, тому що спочатку витрачається енергія на елонгацію, а потім на скорочення ланцюга. Для арабідопсису описані мутанти cer 3 і cer 7*, у ПЛ яких блокуються шляхи 1'-4', що призводить до зникнення альдегідів, спиртів і вуглеводнів у складі ПЛ [Jenks, 1995]. Для цього виду рослин можна вважати доведеним шлях 1'-4' як основний в біосинтезі компонентів ЕД-1 системи.

Обговорюючи шляхи біосинтезу компонентів ПЛ, ілюстровані на рис. 3, слід згадати про вуглеводні в ПЛ кукурудзи. Нами показано, що в більш стійких формах відбувається більша елонгація вуглеводневих ланцюгів. При цьому вуглеводні можуть синтезуватися також за двома можливими біосинтетичними напрямками.

Отже, отримані результати підтверджують значну видоспецифічність біохімічних характеристик ПЛ насіння рослин, яку важко знайти в інших органах рослин і класах біомолекул рослинної клітини, що дає можливість обговорити можливі напрямки біосинтезу кутикулярних ліпідних молекул.

Висновки

1. Вивчено склад основних класів поверхневих ліпідів зерна сорго і кукурудзи і показано відмінності в інтенсивностях шляхів біосинтезу ліпідних молекул в епідермальних тканинах насіння двох видів злаків.

2. Спектральні характеристики і компонентний склад поверхневих лiпiдiв насіння сорго (7 видів) і кукурудзи (4 види), що відрізняються за стійкістю до патогенних уражень, мають відмінності. Стійкість корелює з вмістом основного класу поверхневих ліпідів: оксосполук для сорго і естерів для кукурудзи.

3. Різний класовий склад компонентів поверхневих ліпідів може бути показаний поглинанням області карбонільних груп (1707 - 1745 см^-1) і є більш гетерогеним для поверхневих ліпідів сорго.

4. Показано, що склад вуглеводнів поверхневих ліпідів насіння має внутрішньовидові особливості, пов'язані з біосинтезом високомолекулярних компонентів (зерно кукурудзи) та компонентів з парною і непарною кількістю атомів вуглецю (зерно сорго).

5. Установлено, що поверхневі ліпіди зерна кукурудзи і сорго відрізняються за вмістом ненасичених, парних і непарних жирних кислот. Отримані дані дозволяють припустити різну інтенсивність процесів елонгації і десатурації в епідермальних тканинах насіння видів, що вивчалися.

6. Показано, що одним з основних класів (до 57%) поверхневих ліпідів насіння сорго є оксосполуки, які представлені С₂₈ і С₃₀ - альдегідами, що підтверджується даними мас-спектрометричних досліджень.

7. Параметри фазових переходів поверхневих ліпідів зерна сорго і кукурудзи, отримані методом диференційного термічного аналізу, обумовлені різною гідрофобностю та молекулярною масою компонентів.

Список робіт, опублікованих за темою дисертації

1. Штеменко Н. И., Диуф Мамаду, Полева Ю. Л., Троценко А. Г. Некоторые биохимические аспекты питательной ценности зерна кукурузы и сорго // Вісник Дніпропетровського університету. Біологія. Екологія. Вип. 6. 1999. С. 63-68.

2. Штеменко Н. И., Диуф Мамаду, Троценко А. Г., Паталах И.И. Поверхностные липиды зерна кукурузы и сорго: сравнение биохимических характеристик и предположительная роль в обеспечении устойчивости// Вісник Дніпропетровського університету. Біологія. Екологія. Вип. 7. 2000. С. 255-259.

3. Штеменко Н.І., Діуф Мамаду, Паталах І.І. Неполярні компоненти і оксигеновані сполуки поверхневих ліпідів сорго//Вісник Дніпропетровського університету. Біологія. Вип. 8. 2000. С. 61-66.

4. Штеменко Н. И., Диуф Мамаду, Пишная О. А., Мороз Ю. Л. Изучение биохимических характеристик злаков в связи с некоторыми экологическими проблемами // Матеріали І Міжнар. конф. “Наука і Освіта'98”, 23-30 квіт. 1998 р., Україна. Дніпропетровськ. С. 77.

5. Shtemenko N. I., Joof Mamadu, Pyshnaya O. A., Moroz J. L. Biochemical characteristics of cereals concerning some environmental problems // “SECO TOX'98” Antalya, Turkey. 1998. P.94.

6. Shtemenko N. I., Joof Mamadu, Moroz J. L. Certains aspects de la valeur nutritive des cereales // V-e Conference Internationale. France et Ukraine, Experience Scientifique et Pratique dans le contexte du Dialogue des Cultures Nationales. Dnepropetrovsk, Ukraine, 1998. Dnepropetrovsk. 1998. P. 70.

7. Shtemenko N. I., Joof Mamadu, Moroz J. L. Ecological aspects of nutrritive quality of cereals. // Міжнародна конференція ''Питання біоіндикації і екології''. 21-24 верес. 1998, Запоріжжя. 1998. С. 104.

8. Діуф Мамаду. Оксигеновані сполуки поверхневих ліпідів сорго// III Регіональна конференція молодих вчених та студентів з актуальних питань хімії. 21-25 трав. 2001. Дніпропетровськ, 2001. С. 90.

Анотація

Діуф Мамаду. Поверхневі ліпіди зерна сорго і кукурузи - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата біологічних наук за спеціальністю 03.00.04. - біохімія. - Національна академія наук України, Інститут біохімії ім. О.В. Палладіна, 2002 рік.

Дисертація присвячена вивченню поверхневих ліпідів зерна сорго і кукурудзи різних видів з використанням сучасних спектральних і хроматографічних методів. Показано, що основними компонентами в поверхневих ліпідах сорго є С₂₈, С₃₀-альдегіди, а в поверхневих ліпідах кукурудзи - естери. Вивчено склад вуглеводнів і жирних кислот, показано різну інтенсивність процесів елонгації і десатурації в епідермальних тканинах насіння вивчених видів рослин. За допомогою диференційного термічного аналізу визначені параметри фазових переходів поверхневих ліпідів зерна сорго і кукурудзи. Запропоновано схему шляхів біосинтезу компонентів поверхневих ліпідів вивчених рослин.

Результати роботи розширюють уявлення про механізми функціонування різних біосинтетичних процесів в епідермальних тканинах рослин.

Ключові слова: сорго, кукурудза, поверхневі ліпіди, жирні кислоти, оксосполуки, вуглеводні.

Аннотация

Диуф Мамаду. Поверхностные липиды зерна сорго и кукурузы - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук по специальности 03.00.04 - биохимия.- Национальная академия наук Украины, Институт биохимии им. А.В. Палладина, 2002 год.

Диссертация посвящена изучению поверхностных липидов зерна сорго и кукурузы разных видов с использованием современных спектральных и хроматографических методов.

Изучены спектральные характеристики и компонентный состав поверхностных липидов зерна сорго (7 сортов) и кукурузы (4 линии), которые имеют отличия в биохимическом составе и устойчивости к патогенным повреждениям. Показано, что устойчивость коррелирует с содержанием основного класса поверхностных липидов: оксосоединений для сорго и сложных эфиров для кукурузы. Степень оксигенирования компонентов поверхностных липидов может быть показана изучением области карбонильного поглощения в ИК-спектрах и больше выражена для поверхностных липидов сорго. Показано, что состав углеводородов поверхностных липидов семян имеет внутривидовые особенности, связанные с биосинтезом высокомолекулярных компонентов (зерно кукурузы) и компонентов с четным и нечетным количеством атомов углерода (зерно сорго). На основании полученных данных по жирнокислотному составу поверхностных липидов семян высказано предположение о различной интенсивности процессов элонгации и десатурации жирных кислот в эпидермальных тканях семян изученных растений. Показано, что превалирующими компонентами в поверхностных липидах зерна сорго являются оксигенированные соединения, представленные С₂₈, С₃₀-альдегидами, что подтверждено данными масс-спектрометрии, а в поверхностных липидах зерна кукурузы превалируют сложные эфиры.

С помощью дифференциального термического анализа определены параметры фазовых переходов, характерные для поверхносных липидов зерна сорго и кукурузы. Показано, что определенные параметры обусловлены различиями в гидрофобности и молекулярной массе компонентов.

На основании полученных данных представлена гипотетическая схема путей биосинтеза различных компонентов поверхностных липидов изученных растений.

Результаты проведенных исследований позволяют более глубоко понять причинно-следственные связи между химическим составом поверхностных липидов зерна растений различных видов и формированием гидрофобного биохимического барьера, способного выполнять защитные функции. Сделанные наблюдения и выводы значительно расширяют представления о механизмах функционирования различных биосинтетических процессов в эпидермальных тканях растений и могут быть основой направленной селекции растений на ценные сельскохозяйственные признаки.

Ключевые слова: сорго, кукуруза, поверхностные липиды, жирные кислоты, оксосоединения, углеводороды.

Annotation

Joof Mamadu. Surface lipids of sorghum and maize seeds. - Manuscript.

The thesis for the scientific degree of candidate of biological sciences, specialisation 03.00.04 -biochemictry. - Palladin Institute of Biochemistry of National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, 2002.

The thesis deals with investigation of surfase lipids of different types of maize and sorghum seeds with application of some spectral and chromatograph methods. It has been shown that the main components of surface lipids of sorghum seeds were C₂₈ and C₃₀ - aldehydes and in maize ones - esters. Content of hydrocarbons and fatty acids was studied and different intensity of the processes of elongation and desaturation in epidermal tissues of investigated plants was shown. By use of the differential thermal analysis the parameters of phase transitions were determined in surface lipids of sorghum and maize seeds. On the base of obtained date the potential scheme of some lipid components in surface plant tissues was proposed.

The results of the work decrease imagination about mechanisms of action of biosynthetic pathways in epidermal plant tissues.

Key words: sorghum, maize, surface lipids, fatty acids, oxosubstances, hydrocarbons.

Размещено на Allbest.ru

...