Для большинства насекомых пищей служат растения, и насекомые относятся к числу наиболее агрессивных и разрушительных их вредителей. Наземные растения не способны перемешаться и поэтому не могут спасаться от своих врагов бегством. И все же растения вовсе не пассивны в той борьбе, которая идет между ними и насекомыми уже более 50 млн. лет.
Основным оружием растений против опустошающей прожорливости насекомых служат химические вещества — естественные компоненты растений. Все множество различных соединений, которые синтезируются высшими растениями в ходе метаболизма, можно условно разделить на первичные и вторичные метаболиты. Первичные метаболиты — это вещества, характерные для всех форм жизни, например нуклеиновые кислоты, аденозинтрифосфат (АТР), глюкоза.
Вторичные метаболиты у разных растений различны, они-то и позволяют им вести химическую войну. Активное потребление пиши, характерное для насекомых и других растительноядных, наравне с уничтожением растения-хозяина патогенными организмами создают давление естественного отбора, которое стимулирует и поддерживает изощренные химические барьеры против вредителей и болезнетворных организмов. Естественный отбор, основываясь на наследственной изменчивости, обеспечивающей разнообразие вторичных метаболитов у растений, дает «зеленую улицу» тем из них, которые могут увеличить приспособленность организмов, создав эффективную защиту.
Размышляя над взаимоотношениями между насекомыми и растениями, П.Фини из Корнеллского университета заметил: «В настоящее время мы являемся свидетелями своего рода гонки вооружений: растения, чтобы выжить, расходуют существенную часть «бюджета» своего метаболизма на оборону (как физическую, так и химическую), а насекомые вынуждены тратить немалую долю накопленной энергии и питательных веществ на средства обнаружения и атаки противника».
Эту точку зрения неплохо подтверждает пример растения Dioclea megacarpa, которое относится к вьющимся бобовым. Среди насекомых у него есть только один вредитель — Caryedes brasiliensis, маленький жучок из семейства Bruchidae, куда входят жуки-зерновки, распространенные на свете повсеместно. Растение весьма успешно отпугивает всех других насекомых. Одна из причин этого состоит в том, что в Dioclea накапливается L-канаванин. Эта аминокислота обладает инсектицидным действием: у насекомых она нарушает производство нормальных белков, а также имеет некоторые другие эффекты.
И поэтому адаптация С. brasiliensis к средствам химической защиты растения поистине замечательна. Наша работа в Университете шт. Кентукки внесла некоторую ясность в понимание взаимодействия между насекомыми и вторичными метаболитами высших растений. Канаваннн — одна из примерно 250 аминокислот, которые синтезируются высшими растениями, но не используются для сборки белков. Соответственно, в состав белков растения эта аминокислота не входит. Образование канаваннна характерно для группы бобовых растений Lotoideae.
Он обнаружен также в таких важных сельскохозяйственных культурах, как люцерна и клевер. Канаванин свойствен и другим видам растений, однолетним и многолетним, декоративным и древовидным, например Wisteria и Robinia. Есть убедительные данные в пользу того, что канаванин выполняет в метаболизме важную функцию. В форме канаванина запасается азот, что особенно существенно в семенах, вещество которых должно обеспечить рост развивающегося растения. Молекула L-канаванина является структурным аналогом L-аргинина — одной из 20 аминокислот, которые входят в состав белков.
В канаванине одна из —СН2-групп аргинина заменена на кислород. Эта разница по существу не сказывается на обмене канаванина, который может участвовать практически во всех реакциях, катализируемых ферментами, для которых предпочтительным субстратом служит аргинин. Например, канаванин активируется синтетазой аргинил-тРНК, которая активирует аргинин и затем связывает его с соответствующей транспортной РНК.
В том случае, если канаванин связался с транспортной РНК, которая в норме переносит аргинин к месту сборки белка на рибосомах клетки, вместо аргинина в растущую полипептидную цепь неизбежно попадет канаванин. Канаванин обладает менее щелочными свойствами, чем аргинин, и при физиологических условиях положительный заряд молекулы канаванина будет меньше, чем молекулы аргинина.
Это может влиять на те взаимодействия, которые обусловливают укладку поли- пептидной цепи в единственно возможную для данной белковой молекулы конформацию. Накапливаются данные о том, что белки, структура которых изменена вследствие включения канаванина на место аргинина, функционируют неправильно. В этом и состоит токсическое действие, которое оказывает канаванин на большинство насекомых.
