Диссертация (1144823), страница 16
Текст из файла (страница 16)
В хлоропластах хлорофиллыоказались связаны с белками и каротиноидами, а на метаболическом уровне этузащитную функцию стал выполнять механизм обратного ингибирования первогопредшественникатетрапирролов–АЛКконечнымипродуктамисветонезависимого биосинтеза – ПХЛД и гемом.Реализация генетической процессов, контролирующих биосинтез основногопигменты фотосинтеза – хлорофилла, находится под системным контролемцелого ряда факторов (свет, кислород, содержание сахаров и т.д.), определяющихфизиологическое состояние хлоропластов – органелл, в которых осуществляетсяфотосинтез. Исследования мутантов с нарушенной регуляцией показало, чтофизиологическийстатусхлоропластарегулируетэкспрессию«фотосинтетических» генов, кодируемых ядерным геномом, через системусигналов, одним из основных атрибутов которой, помимо белков, являютсятетрапирролы – интермедиаты биосинтеза хлорофилла, и молекулы тРНК.Изучению процессов генетической регуляции биосинтеза хлорофиллов посвященаследующая глава.841.7. Генетические аспекты световой и метаболической регуляции биосинтезахлорофилловС накоплением фактических знаний о генетике биосинтеза хлорофиллов(ХЛ) становится все более очевидным, что синтез пигментов неразрывно связан спроцессами биогенеза хлоропластов и фотосинтеза.
Регуляция метаболизмахлорофиллов включает несколько уровней контроля, позволяющих в процессероста и развития растений поддерживать оптимальный уровень синтезатетрапирролов и связанных с ними белков в ответ на воздействия внешнихфакторов (свет, кислород и др.) и внутриклеточных сигналов.
В реализациигенетических программ адаптации фотосинтезирующей клетки к этим системнымфакторам участвуют разнообразные белки: факторы транскрипции, протеинкиназы, убиквитин-лигазы; молекулы тРНК и тетрапирролы: протопорфирины,протохлорофиллиды, гемы. Современные сведения о генетической детерминациипроцессов световой, ретроградной и метаболической регуляции биосинтеза ХЛ ибиогенеза хлоропластов у фотосинтезирующих эукариот представлены ниже.Согласносимбиотическойфотосинтезирующихэукариоттеории,сформировалисьхлоропластыврезультатевклеткахпревращенияцианобактерий в эндосимбионтов первичных эукариот.
В ходе эволюциипроизошла потеря их генетической автономности в результате передачи частигенов в геномы ―ядра‖, и пластиды современных растений содержат компоненты,закодированные как в ядерной, так и в хлоропластной ДНК. Процессыформирования и функционирования структур хлоропласта фотосинтезирующейклетки строго зависят от координированной экспрессии геномов ядра и пластид вответ на воздействие как факторов внешней среды (свет, питание и др.) так ивнутриклеточных сигналов.
Эта координация обеспечивается двойной системойгенетической регуляции: белки, кодируемые ядром, регулируют экспрессию геновхлоропласта, а сигналы, генерируемые хлоропластом, влияют на экспрессию геновядра [Шестаков, 1998].85I.7.1. Регуляторные механизмы биосинтеза хлорофиллаСинтез тетрапирролов у растений и водорослей происходит в пластидах,откуда они транспортируются к месту своей локализации: хлорофиллы (ХЛ)остаются в хлоропластах, гемы и сирогемы работают во всех клеточныхкомпартментах,афитохромы–вцитоплазмеиядре.Метаболизмфотосинтезирующей клетки зависит от функциональной активности пигментов:ХЛ и каротиноидов, биосинтез которых необходимо регулировать для обеспеченияв первую очередь следующих процессов:1.
Утилизация световой энергии. Свет - основной регулятор метаболизматетрапирролов. Он играет ключевую роль в жизни покрытосеменных растений,которые образуют хлорофилл только на свету, - в процессе биосинтеза конверсиюпротохлорофиллида (ПХЛД) в хлорофиллид (ХЛД) осуществляет фотоферментсПОР – ПХЛД-оксидоредуктаза [Беляева и Литвин, 2007]. Темновой синтезхлорофилла существует у водорослей, мхов и голосеменных благодаря наличиюсветонезависимого ферментативного комплекса - тПОР, альтернативного сПОР[Armstrong G.A., 1998].
При этом, регуляторное влияние света на морфогенезрастенийихлорофиллобразованиесвязываютвпервуюочередьсфоторецепторами фитохромами [Кулаева, 2001];2. Поддержание оптимального соотношения гема и хлорофиллов. Этитетрапирролы, имеющие общий путь биосинтеза (рисунок 1.21), необходимырастениям в различных количествах в зависимости от внешних условий илокализации. ХЛ содержатся только в фотосинтезирующих тканях листьев истеблей, тогда как гем необходим любой клетке растения, включая корни. Сдругой стороны, фотосинтезирующей клетке требуется в сотни раз больше ХЛ,чеммолекул других тетрапирролов, и эта потребность изменяется подвоздействием внешней среды.
Важным регуляторным узлом, обеспечивающимбаланс синтезов ХЛ и гема, является этап ферментативного включения ионовметаллов (Mg2+ или Fe2+) в молекулу их предшественника – протопорфирина IX.86Рисунок 1.21. Схема регуляции биосинтеза ХЛ. В овалах - ферменты, существенныедля регуляции: GluTR – Glu-тРНК-редуктаза; POR – сПОР; CAO – ХЛа /хлорофиллид а-оксидоредуктаза, Ф. синтетаза – фитохромобилин-синтетаза. Стрелки - механизмырегуляции уровня синтеза ХЛ: путем обратного ингибирования 5-аминолевулиновойкислоты (АЛК) гемом и протохлорофиллидом (через белок FLU)3. Защита от свободных порфиринов.
Все окрашенные предшественники ХЛв свободном состоянии фототоксичны, и при освещении генерируют молекулысинглетного кислорода, разрушающие клеточные мембраны [Красновский, 2001].Механизмы, препятствующие накоплению порфиринов в клетке при освещении,абсолютно необходимы для ее выживания;4. Координация биосинтезов белков и пигментов.
В хлоропластах ХЛсвязаны с белками и каротиноидами, образуя пигмент-белково-липидныекомплексы. Для их сборки и функционирования необходимо поддерживать87количественные соотношения молекул ХЛ и связывающих их белков [Tanaka andTanaka, 2007]. К концу 80-х годов 20 века стало понятным, что в регуляциипроцессовхлорофиллобразованияважнуюрольиграютмеханизмы,определяющие активность ферментов синтеза 5-аминолевулиновой кислоты(АЛК) – первого специфического продукта в биосинтезе тетрапирролов [Beale,1990]. Изучение пигментных мутантов позволило выяснить, что эта регуляцияосуществляется порфириновыми интермедиатами – гемом и ПХЛД, путемобратного ингибирования синтеза АЛК (рисунок 1.21).1.7.2.
Свет - регулятор экспрессии генов, кодирующих белки фотосинтезаПроростки высших растений, выращенные в темноте, - желтые (рисунок1.22А), и морфологически отличаются от зеленых, растущих на свету: они имеютдлинный гипокотиль (подсемядольное колено) и короткий неразвитый эпикотиль(часть стебля между семядолями и первыми листьями). Их хлоропласты(называемыеэтиопластами)несодержатфотосинтетическихмембранихлорофилла, биосинтез которого остановлен на стадии образования ПХЛД[Кулаева, 2001]..АБРисунок 1.22. Проростки арабидопсиса, выращенные на свету и втемноте (А) (http://montelab.org/index). (Б) Фотоморфогенез у проростковдикого типа и мутантов PHYA и PHYB с нарушенными функциямифитохромов (по: Morelli and Ruberti, 2000)88После освещения, в клетках таких этиолированных проростков происходитактивация экспрессии светозависимых генов, в результате чего одновременнозапускается два процесса: зеленение (фотовосстановление ХЛД из ПХЛДа идальнейший синтез ХЛ), и фотоморфогенез хлоропластов (формированиетилакоидныхмембранизэтиопластов).Характернымифенотипическимипризнаками фотоморфогенеза являются: укорочение гипокотиля, активный ростстебля и зеленая окраска листьев (рисунок 1.22Б).
Подавляющее большинствомутантов высших растений с нарушениями фоторегуляции отбирали как мутантыпо зеленению – зеленые в темноте, или по способности после освещенияформировать удлиненные или укороченные (по сравнению с проростками дикоготипа) гипокотили [Bou-Torrent et. al., 2008].Светкакфактортранскрипционнойрегуляции.Вреализациинаследственной информации, определяющей развитие растений, свет играетважнейшую роль. Массовый анализ профилей экспрессии (microarray analysis)более чем 6000 генов арабидопсиса показал, что около 30% из них регулируютсясветом путем активации или репрессии их транскрипции [Ma et al., 2001].Изучение влияния света на экспрессию целого ряда генов, кодирующих белки,необходимые для фотосинтеза (БФ), позволило обнаружить значительное числофакторов транскрипции (ФТ), существенных для фотоморфогенеза [Bou-Torrent etal., 2008; Casal and Yanovsky, 2005].
Регуляцию активности генов БФосуществляют ФТ, имеющие ДНК-связывающие домены различных типов(таблица 1.3), включая спираль-петля-спираль bHLH (base helix-loop-helix),цинковые пальцы (Zn_F) и «лейциновые молнии - bZIP (basic leucine-zipper),которые прямо или опосредованно взаимодействуют с цис-действующимиэлементамипромоторовсветозависимыхгенов.Этипоследовательности,названные LRE (англ.: light responsible elements), содержат G-боксы (CACGTG),GATA-элементы и GT1 (GGTTAA)-мотивы [Chattopadhyay et.
al., 1998].Светочувствительными элементами промоторов генов, по-видимому, являются не89индивидуальные LRE-последовательности, а комбинации цис-регуляторныхэлементов, а их активность – результат взаимодействия между ними, ФТ и кофакторами [Галкин с соавт., 2004]. Большинство ФТ, участвующих в световойрегуляции транскрипции, связываются с G-боксами [Цыганкова, 2004]. Недавнобыли обнаружены ФТ GATA2 и GATA21 арабидопсиса, регулирующиеэкспрессию генов, существенных для биосинтеза хлорофилла, через промоторныеэлементы GATA [Luo et al., 2010; Bi, 2005].Первое звено в системе передачи светового сигнала – это фоторецепторы(рисунок 1.23), избирательно адсорбирующие различные участки солнечногоспектра: красный - фитохромы (их пять увысших растений – от PHYA до PHYE),криптохромы и фототропины - синий и УФА свет [Chen et al., 2004].
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
