Биологический каталог




Фотобиология

Автор С.В.Конев, И.Д.Волотовский

чной фотохимической реакции при переходе Рббо->-Р7зо. На основании теоретической возможности существования билитриеновой группировки в различных стереоформах, а также фотообратимости превращений ранее предполагалось, что первичной фотохимической реакцией может быть фотостереоизомеризация хромофора типа цис-транс-ир евращеякя. По другим данным, в основе трансформации лежит не пространственное изменение структуры хромофора, а химическая реакция, заключающаяся в превращений насыщенной метинной связи между кольцами А и Б в насыщенную:

Общепринято, что промежуточные продукты превращения фитохрома представляют собой конформеры белкового носителя. Различия в конформации белкового носителя форм Р6во и Р73о следуют из кривых дисперсии оптического вращения и кругового дихроизма в спектральном интервале 200—500 нм. Конформационная перестройка белка в ходе реакции Рббо->^7зо подтверждается появлением разностных спектров поглощения между Рббо и Р730 в области 240—300 нм, что свидетельствует об изменении микроокружения ароматических аминокислот, а также, как уже упоминалось, различиями в устойчивости этих белковых форм к воздействию мочевины и протеолитических ферментов. Кроме того, обнаружено, что после унификации белковых носителей в результате денатурации мочевиной спектры поглощения фотонеобратимых (денатурированных) форм фитохрома не различаются между собой.

Обратный переход Р7зо->-Рббо также протекает через ряд промежуточных стадий; люми-Р, мета-Ра и ме-та-Рь. Из них два первых продукта фотообратимы.

Прямая и обратная реакции характеризуются не только различными квантовыми выходами, но и различными СКОрОСТЯМИ (ДЛЯ Рб60-^^730 Т1/2 = 2,3 с, для Р7зо->-^Рббо^/2— 6 • Ю-3 с). Вследствие этого в фотостационарном состоянии представлены различные промежуточные формы фитохрома, количество которых определяется параметрами освещения и может достигать 30% от всего фитохромного фонда.

Хотя конформационные перестройки белкового носителя в ходе обратимой фотоконверсии фитохрома не вызывают сомнения, можно думать, что по своему характеру они далеки от грубых денатурационных преобразований и скорее всего сводятся к таким конформа-ционным переходам, при которых существенным образом не меняется степень упорядоченности белковой макромолекулы. Об этом свидетельствуют небольшие изменения энтропии активации (Д5*~25 кал/моль-град) промежуточных стадий фотоконверсии фитохрома в растворе, а также близость гидродинамических и иммунологических СВОЙСТВ Р660 и Р730.

Подведем некоторые итоги. Представляется наиболее вероятным, что первичная фотообратимая фотохимическая реакция билитриена фитохрома, лежащая в основе морфогенетических эффектов, сопровождается конформационными перестройками белка, включенного в состав цитоплазматических мембран.

Для большинства морфогенетических реакций, обусловленных фитохромом, характерно соответствие между величиной конечного биологического макроэффекта и степенью сдвига равновесия в системе Рш+*Рш, причем в большинстве случаев физиологически активной является форма Р730. Многими исследователями выявлена линейная зависимость величины биологического эффекта от логарифма концентрации Р7зо к концу кратковременного освещения. В ряде случаев у этиолированных растений (кукурузы, гороха) обнаруживаются так называемые парадоксы, когда облучение красным светом оказывается эффективным без появления в ткани измеримых количеств Р730, но тем не менее антагонистическая активность ДК-света сохраняется. Это заставляет предполагать, что значительная часть молекул, обладающая способностью поглощать свет, физиологически неактивна и только их небольшая фракция инициирует процесс.

Если акцепторы света при морфогенезе, а также первичные фотохимические реакции более или менее выяснены, то вопрос о природе дальнейших стадий реализации биологического эффекта составляет предмет оживленных дискуссий.

Совершенно очевидно, что в первооснове морфологических ответов должны лежать определенные изменения метаболизма. Однако до сих пор не удалось выявить ключевую ветвь метаболизма, на которую в первую очередь действовал бы фитохром. Напротив, создается впечатление, что почти все катаболические и анаболические процессы в клетке подвержены одновременному влиянию фитохрома. Упомянем только о некоторых исследованиях в этом направлении. Установлено, что К- и ДК-свет стимулирует все макромолекулярные синтезы (ДНК, РНК, белок), системы биосинтеза хлорофилла, каротиноидов, антоцианов, органических фосфатов и витаминов (аскорбиновая кислота), ускоряет катаболический распад полисахаридов, жиров и резервных белков, активирует клеточное дыхание и окислительное фосфорилирование в митохондриях. На субклеточном и клеточном уровнях зарегистрирована стимуляция формирования пластид и ламеллярной (мембранной) структуры хлоропластов, а также деления и растяжения клеток.

Для всех отмеченных эффектов характерен антагонизм между К- и ДК-светом (реверсия) при условии введения второго «луча» вслед за красным светом или наоборот, что указывает на их типичную фитохромную природу.

2. МЕХАНИЗМЫ УСИЛЕНИЯ

Итак, все жизненно важные виды клеточного обмена (белкового, нуклеотидного, липидного, углеводного, энергетического) контролируются фитохромной системой. Но для получения физиологического ответа полное превращение всех молекул Р&бо в Р7зо не является обязательным условием. Иногда для достижения 50% биологического эффекта достаточно 2%-ной конверсии неактивных форм фитохрома в активные.

Хотя сам факт биологического усиления в фотомор-фогенетических реакциях не вызывает сомнения, вопрос о том, что является первичной биохимической «мишенью», на которую прежде всего действует фитохром, не говоря уже о механизме стыковки фитохром — биохимическая «мишень», остается открытым.

Поскольку фитохром содержится в клетках в ничтожных концентрациях (порядка 10~7 М), в 100 —

10 ООО раз меньших, чем обычные ферменты, само по себе напрашивается предположение о генерализованном по объему клетки механизме усиления. Положение усложняется еще и тем, что не все фитохромные эффекты имеют одинаковые временные характеристики. Большинству реакций соответствует длительный (часы) латентный период. Однако известны и такие реакции, которые происходят сразу же после освещения. Кроме того, нет общепринятых критериев для разграничения первичных, промежуточных и конечных индуцированных фитохромом эффектов, хотя бесспорно, что прорастание семян или удлинение стебля нельзя считать первичным эффектом. Тем не менее высказывается несколько точек зрения на механизмы биологического усиления.

1. Фитохром выступает в роли регулятора некоего универсального энзима (суперфермента), способного участвовать сразу во многих метаболических реакциях (Н. П.- Воскресенская, Мор).

2. Фитохром влияет на работу цепочки переносчиков электрона, тем самым воздействуя на эффективность энергообмена (Борсвик, Хендрикс).

3. Фитохром каким-то образом (возможно, как де-репрессор ДНК хлоропластов) регулирует активность генетического аппарата клетки через цепочку ДНК — и-РНК (т-РНК) — белок (Мор).

4. Фитохром приводит к кооперативным структурным перестройкам мембран, следствием которых являются скачкообразные изменения проницаемости мембран, конформации и функциональной активности различных ферментов (Л. Н. Белл, Борсвик, Хендрикс).

Рассмотрим эти гипотезы.

1. Данные представления маловероятны по следующим соображениям: а) все известные ферменты строго специфичны и катализируют, как правило, только одну, а не набор многочисленных реакций (суперфермент); б) фитохром мало подходит для роли регулятора из-за своих размеров, превышающих таковые у большинства ферментов (известно, что регуляторные молекулы обычно малы); в) в клетке нет единой пространственной точки, в которой пересекались бы все метаболические пути, следовательно, суперфермент должен локализоваться вблизи всех метаболических центров (митохондрии, рибосомы, ядра, мембраны эндоплазм этического ретикулума и т. д.), что также трудно себе представить.

2. Прямое воздействие фитохрома на окислительное фосфорилирование в митохондриях исключается опытами Гордона, которому не удалось обнаружить влияние красного и дальнего красного света на фосфорный обмен митохондрий, выделенных из растений.

3. Мор предполагает, что активная форма фитохрома генерирует некий сигнал, поступающий в ядро клетки к ДНК, который дерепрессирует потенциально активный ген, переводя его в активный, в результате чего происходит переключение в матричном синтезе и-РНК и белков. Это предположение подтверждается усилением фитохромной системой синтеза РНК и белков, включая индукцию синтеза регуляторных биосинтетических ферментов, например, фенилаланинаммонийлиазы, а также подавлением актиномицином (ингибитор синтеза РНК) синтеза антоцианов, происходящего с типичным для индукции белкового синтеза латентным периодом (3 ч). Сходное действие на фотоиндуцируемый синтез антоцианов оказывали также ингибиторы синтеза белка пу-ромицин и циклогексимид. В опытах Шопфера актино-мицин D и пуромицин ингибировали фотоморфогене-тические реакции раскрывания гипокотильного колена и разворачивания семядольных листочков у горчицы. Предполагается далее, что фитохром первоначально активирует конституционные гены, программирующие ферменты, участвующие в синтезе аскорбиновой кислоты. В свою очередь аскорбиновая кислота, судя по ряду данных, способна отщеплять гистоны от ДНК, что приводит к вторичной дерепрессии других генов (рис. 40). Первоначальная активация ДК-светом «аскорбинового» гена допускается на основании более короткого (1 ч), чем для антоцианов (3 ч), латентного периода для синтеза аскорбиновой кислоты.

Хотя активация светом генетического аппарата биосинтеза белков и не вызывает сомнений, следует подчеркнуть, что подобный эффект представляет собой не начальный, а один из заключительных этапов действия фитохрома, причем материальная природа сигнала, распространяющегося от фитохрома к ядру клетки, остается невыясненной. Более того, морфогенетические

X—660 нм

660 ч* Р

730

Я—730 нм

страница 33
< 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
(17.11.2019)