И.П. Ермаков - Физиология растений (1134204), страница 144
Текст из файла (страница 144)
Экспрессия генов ряда десатураз у растений зависит от температуры, что позволяет говорить об участии десатураз в процессах акклимации к изгиеняющимся температурным условиям. Экспрессия генов других дссатураз у растений не зависит от температуры, т.е. является конститутивной. Регуляция экспрессии генов десатураз осуществляется на транскрипционном уровне.
Активация десатурации при снижении температуры сопряжена с накоплением мРНК генов тех десатураз, которые отвечают за синтез ПНЖК. Накопление мРНК этих генов приводит в свою очередь к повышению уровня синтеза соответствующих белков и, как следствие, к индукции синтеза ПНЖК. 5бО Рис. 8.24. Реакции, вовлеченные в процесс десатурации жирной кислоты с участием фермента десатурвзы.
Окисление жирной кислоты и образование двойной связи в вцильной цепи, квтвлизируемое лесвтурвзой, сопряжено с восствновлением молекулы Оз. Из четырех электронов, необходимых для восствновления молекулы О,, двв электронв поставляются молекулой жирной кислоты (ЖК), в двв других поступают от НАДФН (НАДН) через цепь переносчиков электронов, локализованных в мембранах плвстил или эндоплвзмвтического ретикулумв.
ФП вЂ” флввопротеид Пролукты десатуразных реакций ПНЖК регулируют посредством обратной связи активность десатураз. У высших растений устойчивость к низким температурам коррелирует со способностью клеток синтезировать ПНЖК. Так, у А. гйа)гала мутанты ~аН5 и ~адб, дефицитные по синтезу локализованных в хлоропластах десатураз пальмитиновой и олеиновой ЖК соответственно, характеризуются хлорозом листьев, замедленнылг ростом и измененной формой хлоропластов при пониженных температурах. Экспрессия РаИ7, гена десатуразы А. 1Ьа1гапа, отвечающего за синтез триеновых (с гремя ненасыщенными связями) ЖК в хлоропластах, в 1у'. гаЬасит приводит к повышению устойчивости семян растений табака к низким температурал1.
В то же время блокирование экспрессии Гас!7 позволяет растениям легче приспосабливаться к повышенным температурам. При нарушении функций соответствующих десатураз изменяются физические свойства мембран, что выражается в смещении температуры фазового перехода из жидкокристаллического в гелеобразное состояние в область более высоких температур. Молекулярные механизмы регуляции экспрессии генов десатураз при изменении температурных условий в значительной степени остаются нераскрытыми, однако общие принципы такой регуляции понятны уже сейчас (рис.
8.25). При снижении тегипературы уменьшается текучесть мембраны. Клетка воспринимает это изменение с помощью сенсора, расположенного, по-видимому, в мембране. Сигнал от сенсора передается к регуляторным молекулам или непосредственно воспринимается регуляторными последовательностями генов десатураз. Вследствие этого индуцируется экспрессия генов, что приводит к усиленному синтезу десатураз в клетке и ускорению синтеза ПНЖК в мембранных липидах. В конечном счете восстанавливаются исходная текучесть мембран и биохимическая активность связанных с ними систем, в частности активность ФС1 и ФСП в хлоропластах, а также АТФ-синтезирующих комплексов.
Итак, растения, способные синтезировать ПНЖК в повышенных количествах, оказываются более устойчивыми к холодовому стрессу. Напротив, снижение доли ПНЖК в мембранных липидах, приводящее к снижению молекуляр- Рис. 8.25. Индукция десатуразных генов при акклимации растений к холоду. Десатурапия необходима для поддержания надяежазпей вязкости лнпндного бислоя и функциональной мливности мембраны при изменившихся температурных условиях (Д.А.Лось, 2001) 5б! ной подвижности липидного бислоя, должно вносить вклад в термотолерантность растений.
Послсднее предположение подтверждается получением транс- генных растений табака, в которых снижена экспрессия хлоропластной лесатуразы, отвечающей за образование триеновых ЖК Полученные растения оказались более устойчивыми к высоким температурам, чем исходные растения. Тиоэстеразы и элоигазы жирных кислот. Как отмечалось выше, текучесть липидного бислоя определяется не только степенью ненасыщенности ЖК, но и длиной углеводородных цепей. Число углеродных атомов в цепи зависит от функций тиоэстераз и элонгаз ЖК. Тиоэстеразы отвечают за терминацию удлинения ацильной цепи и обеспечивают преимущественное накопление Са иь Сп, Си и С,6 и ЖК. Элонгазы осуществляют удлинение цепи ЖК до 20, 22 и 24 углеродных атомов.
Гены некоторых тиоэстераз и злонгаз из различных видов растений клонированы. 8.4.1.Б. Энергия активации ферментативных реакций, протекающих в мембранах Функционирование белков, связанных с мембраной, часто зависит от локальной вязкости их липидного микроокружения. Активность многих мембранных ферментов снижается при возрастании вязкости (снижении текучести) липидов мембраны. Как обсуждалось в подразд.
8.4.1.1, ферментный белок должен иметь возможность изменять свою конформацию во время катализа. Для этого нужно, чтобы могли перемещаться и окружающие его молекулы липидов. Если липилная фаза обладает низкой вязкостью, то изменения конформации фермента не требуют больших затрат энергии. При высокой вязкости липиды необходимо локально расплавить, для чего требуется дополнительная энергия. Температура плавления липидов должна устанавливаться на таком уровне, при котором поддерживается их оптимальная текучесть в физиологическом диапазоне температур. Следует, однако, помнить, что текучесть мембраны не должна быть чрезмерной, так как в слишком жидком липидном бислое может произойти дезинтеграция многокомпонентной системы.
Связь температурной зависимости активности локализованного в мембране фермента с температурой плавления липидного бислоя мембраны может быть продемонстрирована с помощью графика Аррениуса — зависимости логарифма константы скорости фермснтативной реакции от обратной величины абсолютной температуры 1/Т 1рис.
8.26). Такая зависимость выражается отрезком прямой линии, так как 1и!г = 1пА — — ' —, Е, 1 Я Т' что следует из уравнения (8.3). Точки перегиба на графиках отражают изменения свойств липидов. При температуре фазового перехода наклон прямой линии резко меняется. Из наклона лля данного температурного диапазона может быть рассчитана энергия активации ферментативной реакции. При температурах более низких, чем температура фазового перехода, энергия активации выше, так как для конформационных изменений белка необходимо дополнительно разорвать некоторые слабые химические связи в липидах, находящихся в гслеобразном состоянии.
При температурах более высоких, чем температура фазо- 562 Рис. 8.26. Кривые Аррениуса (зависимость логарифма константы скорости реакции от величины, обратной абсолютной температуре) для локализованного в мембране фермента (по П.Хочачка, Дж. Сомеро, 1988, с изменениями). Точки перегиба на кривых (Т„„„) отрюкают температуры фазовых переходов мембранных дипидов. У организмов, адаптированных (акхлимираванных) к холоду (1), фазовый переход дипидов происходит при более низкой температуре, чем у организмов, адаптированных к теплу (2).
Различия в теьшературах фазовьм переходов связаны с различиями в липидном составе их мембран, например, в степени ненасышенности жирных кислот или в двине ацильных цепей и т д. Из наклона отрезков прямыхдиний можно рассчитать энергии активации Е, ферментативной реакции выше и ниже температуры фазового перехода Температура ', !/Т вого перехода, липиды находятся в жидкокристаллическом состоянии и требуется меньше энергии для конформационных изменений белка. При акклимации к холоду происходит сдвиг точки перегиба на графиках, отражающий смешение температуры фазового перехода к более низкил! значениям.
Это связано с изменением химического состава мембраны — с включением в состав липидов ЖК, имеющих меньшее число углеролных атомов и большее число ненасыщенных связей. Повышение устойчивости к теплу обусловлено возрастанием вязкости (снижением текучести) липидного бислоя и стабилизацией взаимодействий между компонентами мембран. Тепловые повреждения приводят к дезорганизации процессов, протекающих в мембранах. В частности, в тилакоидах нарушается механизм переноса энергии: блокируется перенос энергии от хлорофилла а к хлорофиллу Ь и изменяется распределение энергии между ФСП и ФС1.
В этих условиях возрастает 22 1 о 6 В 1 с 3 й 2 я' чг 10 20 30 40 50 20 30 40 50 60 Температуралистьев, 'С Температура листьев„ С А Б Рис. 8.27. Влияние температуры выращивания н температуры проведения эксперимента на скорость фотосинтеза при нелимитирующсм освещении (А) (по В!ог1апап е! а1., 1980) и интенсивность флуорссцснции листьев (Б) (по Ка)зоп е! а1., 1980) у )чеиигя о)еалоег. Растения были акклямироваиы к 20 и 45 С . Скорость фотосинтеза выражена в наномодях поглощенного СО, на 1 см' поверхности листа в 1 с 5бЗ флуорссценция хлорофилла, что объясняется следующим образом. Свободный хлорофилл флуоресцирует очень сильно.
В интактных хлоропластах флуоресценция низка, так как энергия возбуждения хлорофилла улавливается реакционными центрами. Наблюдаемые т ийо при тепловом воздействии усиление флуоресценции и тесно коррелирующее с ним полавление фотосинтеза связаны с распадом хлорофилл-белковых комплексов и переходом хлорофилла в свободное состояние (рис. 8.27). Температурный диапазон, в котором происходит усиление флуоресценции и снижение скорости фотосинтеза, зависит от того, к какой температуре были акклимированы или алаптированы растения.
Пустынные растения сверхустойчивы к высоким температурам. Они характеризуются также высокой термоустойчивостью процесса фотосинтеза и термостабильностью тилакилных мембран, что в первую очередь связано с особенностями химического состава и структуры их липидного бислоя. 8.4.2. УСТОЙЧИВОСТЬ РАСТЕНИЙ К ЗАМОРАЖИВАНИЮ Растениям, обитающим в зоне отрицательных температур, приходится не только поддерживать внутри клеточные биополи меры в функционально активном состоянии, но и регулировать процессы образования льла в тканях. Внутриклеточное образование льда неизбежно приволит к гибели как теплолюбивых, так и морозоустойчивых растений, так как образующиеся внутри клеток кристаллы льла разрывают мембраны, приводя к нарушениям функций клеточных органелл.
Теплолюбивые растения погибают даже тогда, котла лед образуется в межклетниках. Растения холодного климата, а также мезофиты (растения умеренного климата) выдерживают образование льда в межклеточной среде. У морозоустойчивых растений выработались механизмы, которые препятствуют образованию льда внутри клеток. Это можно рассматривать как важнейшую стратегию приспособления растений к отрицательным температурам.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
