Биологический каталог




Фотобиология

Автор С.В.Конев, И.Д.Волотовский

ffen.— Planta, 1968, 83, 372.

Hand G. W. Photomovement.— In: The science of photobiology. N. Y., 1977, p. 313.

N e b e 1 B. Action spectra for photogrowth and phototropism in protonemata of the moss Physcomitrium turbinatum.— Planta, 1968, 81, 287.

P a g e R. Phototropism in fungi.— In: Photophysiology. N. Y., 1968, v. 3, p. 65.

Pickard В., Thimann K. Transport and distribution of auxin during tropistic responce. II. The lateral migration of auxin in phototropism of coleoptiles.— Plant Physiol., 1964, 39, 341.

P i 11 - S о о n Song, Moore T. On the photoreceptor pigment for phototropism and phototaxis: is a carotinoid the most likely candidate— Photochem. and Photobiol., 1974, 19, 435.

Глава IX. ФОТОМОРФОГЕНЕЗ

Свет оказывает значительное регуляторное влияние на рост и развитие растений и микроорганизмов. Такие реакции называются морфогенетическими. Несмотря на огромное многообразие и широкое распространение морфогенетических реакций у различных представителей растительного мира, их единой классификации не существует. Свет стимулирует прорастание семян, зацветание растений, окрашивание кутикулы, синтез ан-тоцианов и аскорбиновой кислоты, образование пластид, рост стебля, опадение и разворачивание листьев, образование ризоидов, почек, транспорт веществ из семядолей, клеточное дыхание, накопление хлорофилла а и т. д. Хотя морфогенетические эффекты подчас и напоминают фототропизмы (например, движение листьев), принципиальное различие между ними состоит в том, что фотоморфогенез не зависит от направленности светового луча и сопутствующих фототропизмам асимметричных перераспределений факторов роста.

Морфогенетическое действие света наблюдается как у фотосинтетиков (например, высшие и низшие растения), так и у организмов, не способных к фотосинтезу (грибы). Общей чертой всех фотоморфогенетических реакций является то, что они прямо не связаны с фотосинтезом, т. е. в первооснове по крайней мере начальных стадий биологических эффектов лежит свой структурно-молекулярный аппарат, отличный от фотосинтетического.

1. СПЕКТРЫ ДЕЙСТВИЯ И ФИТОХРОМ

Спектры действия различных морфогенетических реакций (рис. 37) указывают на то, что свет, поглощенный хлорофиллом, не приводит к морфогенетическим

Рис. 37. Спектры действия ускорения (а) и угнетения (б) прорастания семяи Lepidium virginucum (/) и Lactuca sativa (2) (Toole E. et al,

1956)

эффектам. Более того, даже у этиолированных растений, не содержащих хлорофилл, наблюдаются реакции фотоморфогенеза, что полностью исключает его роль в этом процессе. В качестве акцептора света в этом случае выступает особый хромопротеид, получивший название фитохрома. С помощью специфических антител показано его неравномерное распределение в клетке и прочная ассоциация с клеточными органеллами и структурами: твердым цитоплазматическим телом, ядерной мембраной, митохондриями, эндоплазматическим рети-кулумом, плазматическими мембранами. Характерно, что фитохром, ответственный в ряде случаев за регуляцию биологических процессов, протекающих в хлоропластах (например, у Mougeotia), с их мембранами не связан.

Выделение фитохрома из растений явилось крупным событием в фотобиологии. Фитохром представляет собой хромопротеид с молекулярным весом около 120 ООО. В некоторых работах приводятся и другие значения: от 60 ООО до 240 ООО, что может быть обусловлено процессами агрегации и дезагрегации субъединиц хромо-протеида. Действительно, в работах Бриггса описан эксперимент, в котором фитохром под действием протеаз распадался на компоненты без потери ими биологической активности. Показано, что макромолекула фитохрома имеет форму эллипсоида с отношением длины осей 10 : 1. В составе фитохрома около 4% углеводов. Полагают, что к белковому носителю, не содержащему дисульфидных мостиков, присоединен тиоэфирной связью билитриеновый хромофор — разомкнутый те-трапиррольный цикл:

По спектрально-абсорбционным (рис. 38) и хромато-графическим (Rf) свойствам хромофор фитохрома — фитохромобилин близок к хромофорам фикоцианина. Близки и их спектры флуоресценции (максимум при 690 нм) при возбуждении 660 нм.

Выделенный из растения фитохром может существовать в двух взаимопревращающихся формах, обладающих длинноволновыми максимумами поглощения при 660 (Рбео) и 730 (Р7зо) нм:

X = 730 нм

Р660 к Р730*

X = 660 нм

Квантовые выходы прямой и обратной фотоконвер-сий фитохрома составляют 0,28 для Рббо-^730 и 0,20 для Р7зо-^^ббо. Молярные коэффициенты экстинкции форм Рббо и Р730 равны соответственно 7-104 и 4 • 104.

300 400 500 600 Л,м 500 400 500 600 700 Лхнм

Рис. 38. Спектры поглощения фитохрома (1), фикоцианина (2) и ал-лофикоцианина (3) из Plectonema boryanum (Hendricks S., Siegelman H., 1967)

Рис. 39. Спектры действия конверсии Рщ-+Р-т (1) и Р-тг+Рвво (2) (а— экстинкция, ф — квантовый выход) (Butler W. et al., 1965)

Формы фитохрома различаются также и по своим физико-химическим свойствам. Так, форма Р730 более чувствительна к денатурирующему действию мочевины и р-хлормеркурибензоата, а форма Рвво быстрее реагирует с альдегидами — формальдегидом и глютаральдегидом.

Вследствие значительного перекрывания спектров поглощения Реео и Р7зо и фотообратимого характера реакций при длительном освещении между формами устанавливается динамическое равновесие, при котором их количественное соотношение зависит от длины волны света. Так, для 660 нм [р7зо№°ббо] равно 0,75—0,81, а для 730 нм — 0,05. Спектр действия реакции Рббо-^ -»-Р7зо совпадает со спектром поглощения Ребо, а спектр действия Р7зо-^ббо — со спектром поглощения Р7зо (рис, 39).

В результате индуктивно-резонансной миграции энергии от ароматических аминокислот белкового носителя к хромофору с эффективностью 30—35% свет, поглощенный белком (Л— 280 нм), оказывается активным как для прямой, так и для обратной реакции, причем квантовый выход сенсибилизированной фотоконверсии Р6бо также больше, чем квантовый выход сенсибилизированной фотоконверсии Я730. Наряду с этим отмечается медленный темновой переход Азо-^ббо- Эта реакция активируется температурой (Qio=2), НАДН2, ФАДН2 и не протекает в отсутствие кислорода, т. е. имеет, вероятно, ферментативную природу с промежуточным этапом окислительно-восстановительных превращений. Реакция сопровождается потреблением энергии (эндер-гонический процесс, связанный, по-видимому, с расходом АТФ).

Решающее значение для фототрансформации фитохрома имеет не только интактность билитриеновой группировки, но и нативное состояние белкового носителя. Если белок денатурировать, свет не индуцирует никаких спектральных сдвигов. Этим хромофор фитохрома отличается от ретиналя, который, как известно, способен к обратимым фотопревращениям в растворе и в отсутствие белкового носителя.

Полностью подтверждают поведение фитохрома in vitro результаты опытов по обратимой стимуляции и ингибированию морфогенетических процессов красным (660 нм) и дальним красным (730 нм) светом. Так, спектры действия ускорения и торможения прорастания L. virginicum и L. sativa близки к спектрам действия обратимой фотоконверсии фитохрома (см. рис. 37).

Сходным образом спектры действия этиоляции, зацветания и образования семян различных растений представлены широким максимумом в области 640— 670 нм. С другой стороны, спектры действия торможения этих биологических эффектов имеют максимум при 730 нм.

Характерно, что для самых разнообразных морфогенетических ответов у различных растительных объектов действие красного (К) и дальнего красного (ДК) света прямо противоположно (антагонистично). При многократном чередовании К- и ДК-освещения биологический эффект определяется тем светом, который используется последним. Особенно наглядно это видно из опытов Борсвика, который исследовал действие К- и КД-света на прорастание семян салата, Результаты (в процентах) этих опытов могут быть обобщены в следующем виде (слева — характер освещения, справа — всхожесть) :

К

К+ДК

к+дк+к .... к+дк+к+дк . . . к+дк+к+дк+к . . к-ьдк+к+дк+к+дк . к+дк+к+дк+к+дк+к

70

74

76 7 81

Непосредственная связь морфогенетического эффекта с фотопревращением форм фитохрома вытекает из данных по измерению дифференциальных спектров поглощения этиолированных растений. Концентрация активных форм фитохрома может быть определена по изменению оптической плотности этиолированных листьев после К- и ДК-освещения:

730 нм после К-освещения; A^DjSJo — то же после ДК-освещения.

Оказалось, что величина A (AD), т. е. концентрация активной формы фитохрома, хорошо коррелирует с величиной биологического эффекта.

Следовательно, за поглощение биологически актив-ного света ответственны две формы фитохрома, а их взаимопревращение инициирует последующую цепь событий.

Необходимо отметить, что как в растворе, так и в клетке фотообратимые превращения фитохрома подчиняются кинетике реакции первого порядка и, очевидно, протекают по одноквантовому механизму.

Таким образом, молекулярным акцептором морфо-генетически активного света является фитохром, а первичные фотохимические реакции сводятся к внутримолекулярным перестройкам в этом хромопротеиде. Однако вопрос о конкретной природе этих перестроек еще далек от разрешения, хотя с помощью флеш-фотолиза при 0°С удалось выявить ряд промежуточных форм в ходе как прямой, так и обратной реакций. В литературе описывается целый набор промежуточных продуктов и промежуточных реакций фотоконверсии фитохрома. Так, согласно последним данным, переход Рббо->-осуществляется через следующие стадии:

люми-#(698) ? мета -Ra (710) ? мета-Я $

РдяИ

6в0

^730

мета--Р6< мета-^а (690 , 675 , 650 , 630) люми-F (720)> световые превращения, + темновые реакции

При температуре 77 К продукт люми-Я стабилен в темноте, а на свету превращается в Рббо- При физиологических температурах через ряд промежуточных продуктов люми-/? превращается в конечную форму Р7зо. Способностью к реверсии обладает и следующий темновой продукт мета-/?а. Последующие за мета-#а стадии уже необратимы.

К сожалению, мало определенного можно сказать о природе перви

страница 32
< К СПИСКУ КНИГ > 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69

Скачать книгу "Фотобиология" (3.60Mb)


[каталог]  [статьи]  [доска объявлений]  [обратная связь]

п»ї
Rambler's Top100 Химический каталог

Copyright © 2009
(10.12.2019)