И.П. Ермаков - Физиология растений (1134204), страница 142
Текст из файла (страница 142)
Стратегия приспособлении к тому или иному температурному диапазону состоит в изменении числа (или типа) слабых взаимодействий в молекуле фермента. Приспособление к более высоким температурам связано с приобретением одной или нескольких дополнительных слабых связей. Дополнительные связи повышают термостабильность белка и в то же время снижают его каталитическую эффективность (увеличивают энергию активации). Разновидности ферментов, осуществляющих эффективный катализ при изменении температурных условий, появляются в результате модификаций их первичной структуры. Другим типом приспособительных реакций растений к изменяющимся температурным условиям является поддержание относительно постоянного соотношения между константой Михазлиса (К ) и концентрацией субстрата (8]. Константа Михаэлиса для субстрата должна поддерживаться в пределах, приблизительно соответствующих середине диапазона физиологических концентраций субстрата.
При таком соотношении К и Я используется значительная часть каталитического потенциала фермента, и в то же время фермент далек от состояния насыщения субстратом, т.е. сохраняет резерв для ускорения реакции в ответ на повышение концентрации субстрата или регуляторные сигналы. Как показали эксперименты на выделенных ферментах, изменения температуры приводят к изменениям К . Константа Михаэлиса растет при повышении температуры. Вместе с тем и у растительных, и у животных организмов, обитающих при различных температурных условиях, К ферментов и концентрации их субстратов в клетках различаются очень мало. Относительное постоянство К и Я поддерживается и при акклимации организма к изменившейся температуре. Известно два пути поддержания постоянства К: 1) за счет изменений первичной структуры белка; 2) за счет изменения среды, в которой фермент функционирует.
Изменения первичной структуры белка, приводящие к изменениям Е, и К, могут происходить в эволюционном масштабе времени и приводить к появлению новых форм белка и соответственно новых конститутивных признаков (адаптация). Новые разновидности фермента с кинетическими свойствами„отвечающими новым температурным условиям, могут появляться также в результате индукции стрессовых генов при акклимации растения к температурному сдвигу.
Они могут появляться даже тогда, когда температура среды колеблется в пределах всего лишь 6 — 8 С. Поскольку многие растения обитают в средах, где сезонные и даже суточные колебания температуры превышают б — 8'С, фермент, представленный только одной формой, нс мог бы функци- 554 онировать во всем диапазоне температур. Нужны две или больше разновидности фермента. Такие разновидности называются изофермснтами. Изоцитратдегидрогеназа, например, существует в виде целого семейства изоферментов, каждый из которых функционирует в узком температурном диапазоне. Известна сезонность в появлении множественности форм ферментов. Поддержание относительно постоянного отношения К /Я часто связано с изменением рН среды, в которой фермент функционирует. Хорошо известно, что при повышении температуры в клетках растений снижается рН цитоплазмы.
У ряда ферментов это компенсирует изменения К, индуцированные температурными сдвигами. 8.4.1.2. Компенсация температурных эффектов путем изменения внутриклеточного содержания ферментов Многие растения способны компенсировать влияние температуры на скорость биохимических реакций путем изменения содержания ферментов в клетках. В первую очередь это относится к ферментам, которые лимитируют скорость ключевых процессов метаболизма, таких, например, как фотосинтез и дыхание. Так, активность фруктозо-1„б-бисфосфатазы в листьях коррелировала со скоростью фотосинтеза при акклимации олеандра (легше о!еалЫег) к температурным сдвигам.
У олеандра этот фермент — главное лимитирующее звено в углеродном цикле и соответственно главный лимитирующий фактор в температурной компенсации фотосинтеза. Электрофорез показал, что число изоферментов фруктозо-1,б-бисфосфатазы при акклимации оставалось постоянным, но при этом изменялось количество фермента.
При акклимации к низким температурам оно возрастало, а при акклимации к высоким — снижалось. 8.4.1.3. Термофильные бактерии — модель для изучения механизмов термостабильности Существуют организмы, способные жить в среде с температурой около 100 С. К таким организмам относятся тсрмофильные бактерии, обитающие в термальных источниках. Уйегтию адиалсиз, например, сохраняет жизнеспособность при температурах до 95 С. Белки термофильных бактерий необычайно устойчивы к тепловой денатурации.
рл иглз они выдерживают длительный прогрев при 90 'С, сохраняя функциональную активность. Высокая структурная и функциональная устойчивость белков термофильных бактерий объясняется особенностями их аминокислотного состава. Повышение термостабильности обеспечивается всего одной или двумя дополнительными электростатическими связями. Увеличение числа солсвых мостиков служит универсальным механизмом повышения термоустойчивости.
Сравнительные исследования трехмерной структуры белков (лактатдегидрогеназы, ферредоксина и др.), проведенные с помощью рентгеноструктурного анализа, показали, что термоустойчивость белкам тсрмофильных бактерий придают также некоторые другие особенности их структуры. Гидрофоб- ность внутренних частей белка у тсрмофилов больше, чем у мезофилов (микроорганизмов, обитающих при умеренных температурах). Поскольку при по- 555 вышении температуры гидрофобные взаимодействия стабилизируются, структура такой белковой молекулы становится более прочной. У белков термофилов боковые цепи алифатических аминокислот удлинены, что усиливает гидрофобные взаимодействия. Кроме того, найдены замены аминокислот, повышающие стабильность а-участков и 13-слоев в молекулярной структуре.
Таким образом, устойчивость белков термофильных бактерий связана с изменениями их первичной структуры. Изменение суммарной свободной энергии, требуемой для стабилизации белков термофилов, составляет 130 — 210 кДж!'моль. Это соответствует энергии лишь нескольких слабых связей, т.е.
лишь несколько слабых связей требуется для превращения мезофильного белка в термофильный. Для большинства аминокислотных замен, необходимых для этой цели, достаточно заменить лишь одно основание в триплете. Из этого следует, что образование термофильных белков может легко осуществляться в процессе эволюции. Устойчивость к высоким температурам придают термофилам также протек- торные соединения. Аппарат белкового синтеза у Тйепииз !Ьегторй!из защищен от денатурации полиаминами. У термофилов обнаружены также структурные модификации тРНК и рибосомальных РНК. Они содержат больше à — Ц-пар оснований, чем гомологичные РНК мсзофилов.
Пары оснований à — Ц более термостабильны, чем пары А — У. У термофилов тРНК содержат также 5-метил-2-тиоуридин. Производные тиоуридина усиливают взаимодействия оснований в спиральной структуре тРНК. 8.4.1.4. Роль белков теплового шока в акклимации растений к высоким температурам Растения часто испытывают тепловой мок (ТШ), который может повреждать органы и ткани, задерживать рост и даже вызывать гибель растений.
ТШ обычно возникает в результате действия высоких температур при недостаточной скорости транспирации. Растения могут стать толерантными к ТШ, если предварительно на протяжении нескольких часов подвергнуть их действию нелетальных высоких температур. В процесс акклимации вовлекаются белки теллового шока (БТЩ, синтез которых индуцируется предварительной тепловой обработкой.
Некоторые из основных БТШ консервативны: показана высокая степень их гомологии среди представителей прокариот и эукариот. Многие из БТШ функционируют как шапероны. Они восстанавливают структуру других белков, денатурированных при тепловом воздействии. Некоторые БТШ синтезируются в клетках в ходе развития растений и не индуцируются тепловым воздействием, однако их относят к БТШ на основании гомологии аминокислотных последовательностей с БТШ, индуцируемых теплом. БТШ подразделяют на пять семейств в соответствии с их молекулярными массами. БШХ-100 выполняют функцию шаперонов (см.
подразд. 8.2.3.2). Они осуществляют распад белковых агрегатов, образующихся вследствие денатурации белков при тепловом воздействии, и предотвращают ошибки в сворачивании ((о1йп8) полипептидной цепи нри формировании третичной структуры белковых молекул. 55б БТШ-90 обнаружены в цитозоле, ядре и зндоплазматическом ретикулуме (ЭР). Считается, что они тоже могут функционировать как молекулярные шапероны, однако в отличие от типичных шаперонов, высокоспецифичны по отношению к определенным белкам и вступают с ними в длительное взаимодействие. БПП-70 — АТФ-зависимые молекулярные шапероны. Некоторые члены зтого семейства зкспрессируются конститутивно, другие индуцируются тепловым или холодовым шоком. БТШ-70 обнаруживаются в цитозоле, ЭР, митохондриях, пластидах и других органеллах.
БТШ-70 участвуют в сворачивании и разворачивании (пп(о!гйп8) полипептидных цепей, сборке и разборке четвертичной структуры белка. Во время теплового шока БТШ-70 находятся в ядрышке и мигрируют в цитоплазму после окончания теплового воздействия. )х(-терминальная область БТШ-70„содержащая АТФ-связывающий домен, высококонсервативна„тогда как их С-концевая последовательность у различных организмов вариабсльна и определяет субстратную специфичность. БТШ-бО„по-видимому, также являются молекулярными шаперонами. Они обнаруживаются в митохондриальном матриксс и стромс хлоропластов. БТШ-60 не только индуцируются ТШ, но присутствуют в растениях также и при нормальных температурах.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
