К дефициту кислорода

Помимо механизмов ухода от недостатка кислорода растения используют метаболические и молекулярные адаптивные реакции. Прежде всего, следует говорить о дыхании, липидном и гормональном обмене, а также о новообразовании белков аноксии.

Многим растениям, устойчивым к недостатку кислорода, свойственна низкая интенсивность дыхания даже в нормальных для них условиях обитания.

Она характерна для плавающих и особенно погруженных листьев полупогруженных растений по сравнению с воздушными, для корневищ гигрофитов, для корней ряда устойчивых растений в отличие от неустойчивых.

Низкая интенсивность дыхания отражает, вероятно, пониженную интенсивность обменных процессов и более экономное потребление кислорода, что позволяет растению стабилизировать процесс дыхания, сохраняя его почти без изменений в условиях кислородного дефицита.

Качественные перестройки дыхания играют важную роль в обмене веществ. Они должны обеспечивать образование высокоэнергетических соединений, достаточного количества промежуточных веществ для биосинтезов и биологических восстановителей. Как уже говорилось раньше, основной путь распада глюкозы в бескислородной среде – гликолиз. Однако скорость переключения на этот путь, его предельный уровень и динамика различаются у растений, контрастных по устойчивости к гипоксии. У неустойчивых объектов резкое увеличение доли и активности гликолиза наблюдается в первые часы анаэробного воздействия, но оказывается весьма кратковременным. У приспособленных растений при меньшей интенсивности этот процесс осуществляется продолжительное время, что определяет более надежную поставку энергии. Так, например, в эмбрионах риса при аноксии в гликолизе образуется количество АТФ, достаточное для поддержания ряда синтетических реакций и высокого уровня энергетического заряда. Содержание АТФ, скорость включения метки в него, величина энергетического заряда в проростках риса в бескислородной среде держатся на более высоком уровне значительно дольше, чем в проростках пшеницы. Например, уровень АТФ в листьях проростков пшеницы снижался уже через сутки пребывания в темноте в условиях аноксии, тогда как у риса изменения содержания АТФ были значительно менее резкими.

Восстановление содержания АТФ после переноса растений в нормально аэрируемую среду у пшеницы был неполным, в отличие от риса.

В результате гликолиза молекула глюкозы расщепляется на две 3- углеродные молекулы пировиноградной кислоты (ПВК). Образуются 2 молекулы АТФ, а НАД+ восстанавливается до НАДН. Чтобы гликолиз продолжался в отсутствие митохондриального дыхания, необходимо постоянно регенерировать НАД+. Регенерация осуществляется в последующих реакциях ферментации.

Существует 2 пути превращения ПВК.

Первый путь связан с декарбоксилированием ПВК и последующим восстановлением продукта декарбоксилирования – ацетальдегида. Образование этанола и молочной кислоты из конечного продукта гликолиза – пировиноградной кислоты (ПВК) в условиях кислородного дефицита В этих превращениях участвуют 2 фермента: пируватдекарбоксилаза и алкогольдегидрогеназа. Конечным продуктом этих двух реакций является этиловый спирт.

Второй путь осуществляется лактатдегидрогеназой, которая восстанавливает ПВК до молочной кислоты (лактата).

Доля двух путей в превращениях ПВК различна в зависимости от вида растений, его устойчивости к недостатку кислорода, ткани, а также от продолжительности и степени дефицита кислорода. Оба пути ведут к регенерации НАД+, однако образование лактата связано с нежелательным явлением – закислением цитозоля, тогда как при образовании этанола рН цитозоля не изменяется. В связи с этим можно считать, что важная роль в устойчивости растений к дефициту кислорода принадлежит способности клетки предотвращать закисление цитозоля.

Согласно гипотезе Дэвиса-Робертса, регуляция рН цитозоля при анаэробном метаболизме зависит от соотношения активностей лактатдегидрогеназы и пируватдекарбоксилазы. Лактатдегидрогеназа имеет оптимум активности при физиологических значениях рН цитоплазмы. При образовании лактата цитоплазма закисляется. По мере снижения рН лактатдегидрогеназа пргрессивно ингибируется, тогда как пируватдекарбоксилаза, включенная в образование этилового спирта, активируется, поскольку ее оптимум смещен в кислую область. Таким образом, аккумуляция лактата стимулирует превращение ПВК в ацетальдегид, который далее восстанавливается алкогольдегидрогеназой до этанола. В отличие от лактата, молекула этанола не несет заряда и может легко диффундировать через цитоплазму в среду. В результате рН цитозоля стабилизируется на уровне слабокислых значений.

Недавно было обнаружено, что при аноксии АТФ как нергетический источник может замещаться пирофосфатом. Предполагается, что вакуолярная Н+-пирофосфатаза может восполнять функцию вакуолярной Н+-АТФ-азы в поставке водородных ионов в вакуоль. В проростках риса вакуолярная пирофосфатаза под влиянием анаэробиоза активировалась в 75 раз, увеличивалось и пирофосфатзависимое поступление протонов в везикулы тонопласта. Однако насколько существен вклад пирофосфата в энергетику клеток при аноксии, покажут дальнейшие исследования.

Работа пентозофосфатного пути (ПФП) при пониженном содержании кислорода также вполне реальна при условии окисления НАДФН, что наблюдается, например, в присутствии нитратов или во время образования шикимовой кислоты. Ускорение работы ПФП является неспецифической реакцией на различные неблагоприятные воздействия, которая, однако, при нарастании силы стрессора необратимо подавляется. У неприспособленных растений кратковременное возрастание доли ПФП наблюдалось вслед за увеличением доли гликолиза, а у приспособленных – или в начале анаэробного воздействия, или лишь при некотором ограничении доступа кислорода.

При гипо- и аноксии происходит накопление не только малата и сукцината, но и других метаболитов (прежде всего аланина, а также шикимата, глицерина и аспартата), сопряженное с окислением восстановленных коферментов.

Такие реакции, в большей мере характерные для устойчивых растений, не заменяют гликолиз, но дополняют его, обеспечивая не только окисление НАД(Ф)Н, но и образование нетоксичных интермедиатов.

Интересно, что при аноксии у растений часть митохондрий увеличивается в 50-100 раз, превращаясь в одну гигантскую разветвленную митохондриальную структуру. Эти митохондрии могут выступать в роли аккумуляторов энергии гликолиза и системы, транспортирующей ее в различные участки клетки.

В устойчивости растений к неблагоприятным воздействиям существенна также роль липидов. Под влиянием гипо- и аноксии содержание липидов и фосфолипидов, а также интенсивность их обмена снижаются. За счет распада липидов растет количество свободных жирных кислот. У растений, устойчивых к гипоксии, нарушение липидного метаболизма выражено в меньшей степени, чем у неустойчивых. Оказалось, что перестройки касаются, прежде всего, жирных кислот фосфолипидов. У приспособленных растений, особенно в митохондриях, их содержание сохраняется близким к контролю в течение всей экспозиции в бескислородной среде, в то время как у неустойчивых растений оно резко снижается. Синтез жирных кислот при этом тормозится. Поддержание высокого уровня жирных кислот у приспособленных растений определяется торможением их распада.

Деградации жирных кислот способствует перекисное окисление липидов (ПОЛ), интенсивность которого возрастает. Под влиянием анаэробиоза уровень ПОЛ повышается в основном после воздействия – при возвращении растений на воздух, хотя активные формы кислорода, например перекись, образуются и при аноксии, поскольку для этого процесса необходимы лишь следы кислорода.

У приспособленных объектов уровень ПОЛ ниже в нормальных условиях аэрации и в постаноксический пероид. Это определяется более существенной ролью у этих растений защитных антиоксидантных соединений, особенно токоферола.

При аноксии помимо распада жирных кислот наблюдаются изменения и в соотношении различных групп жирных кислот. Под воздействием анаэробиоза не отмечается повышения содержания ненасыщенных жирных кислот, поскольку для их синтеза необходим кислород, однако в митохондриях устойчивых растений количество ненасыщенных компонентов остается близким к контрольным значениям при аэрации, в то время как у неустойчивых объектов существенно снижается.

При более длительных сроках воздействия уровень ненасыщенности жирных кислот митохондрий снижается, что указывает на увеличение микровязкости мембран. О нарушении текучести мембран свидетельствует и возрастание содержания стеринов, более существенное у неустойчивых растений. Общим интегральным показателем устойчивости является стойкость к гипо- и аноксии мембран. Целостность и функциональная активность плазмалеммы, тонопласта, мембран митохондрий, хлоропластов у устойчивых растений дольше сохраняется в бескислородной среде.

Подобно реакции растений на тепловой шок и водный дефицит, растения отвечают изменением дифференциальной экспрессией генов в ответ на недостаток кислорода. Так, растения кукурузы отвечали на аноксию быстрым кратковременным транзитным синтезом отсутствующих ранее полипептидов, так называемых белков аноксии. В течение этого времени также наблюдается резкое торможение синтеза белков аэробного метаболизма. Функция белков аноксии точно не известна. Предполагается, что эти белки являются компонентами системы шокового ответа.

Через 1.5 часа действия аноксии в растении синтезируется 15-20 новых белков. Существенно, что некоторые из них представляют собой изоформы ферментов гликолиза, таких как алкогольдегидрогеназа, глюкозофосфатизомераза, енолазы, а также сахаросинтазы, амилазы, ферменты азотного метаболизма, антиоксидантных систем и т.д. Эти ферменты призваны обеспечить энергетические потребности растения с помощью гликолиза при подавленном кислородном дыхании, а также защитить клеточный метаболизм от агрессивных форм кислорода.

Важную роль при аноксии играет гемоглобин. Считают, что он участвует в запуске анаэробной транскрипции:

Гем гемоглобина может быть компонентом всех растений и роль гемоглобина состоит или в облегчении диффузии кислорода, или в функционировании его как О2-сенсорного механизма. Гем связывает кислород и переходит в неактивную окисленную форму. Функция гемоглобина, таким образом, состоит в индикации кислорода и переводе метаболизма с окислительного пути на брожение.

Затопление ведет к торможению роста как надземных, так и подземных органов, причем гипоксия всего растения оказывает более сильное воздействие, чем корневая. Она вызывает замедление роста побега, преждевременное старение и опадение органов. У проростков в условиях корневой гипоксии прекращается рост первичного корня, он отмирает, корневые волоски не образуются. При затоплении у большинства растений помимо торможения роста происходит уменьшение сухой массы. Остановка роста при аноксии у неприспособленных растений происходит раньше, чем у приспособленных.

Дата добавления: 2015-07-10