Досліджено вплив гипобарической гіпоксії на активність ферментів різних метаболічних шляхів в зелених проростках ячменю в умовах освітлення. Виявлена ​​активація роботи ключових ферментів дихальних шляхів: гліколізу, спиртового бродіння і пентозофосфатного циклу і фотосинтетичного метаболізму в проростках ячменю в умовах гипобарической гіпоксії як в темряві, так і на світлі. Компенсаторні перебудови обміну речовин у зелених рослин при дефіциті кисню пов'язані з трансформацією дихальних шляхів і активацією ферментів темновой фази фотосинтезу.

Анотація наукової статті по промисловим біотехнологій, автор наукової роботи - Войцековская Світлана Анатоліївна, Астафурова Тетяна Петрівна, Верхотурова Галина Степанівна, Зайцева Тамара Анатоліївна


Activity of some key enzymes of metabolism in green barley seedlings under hypobaric hypoxia

It was investigated the effect of hypobaric hypoxia on the enzyme activity of different metabolic pathways in green barley seedlings in light condition. It was founded the activation of the key enzymes of photosynthesis and respiratory pathways, such as glycolysis, alcoholic fermentation and pentose phosphate pathway, in green barley seedlings both in the darkness and in the light. Compensatory modifications of green plant metabolism under hypoxia were connected with the modifications of the respiratory pathways and the activation of the enzymes of the dark photosynthesis phase.


Область наук:
  • промислові біотехнології
  • Рік видавництва: 2007
    Журнал: Вісник Томського державного університету

    Наукова стаття на тему 'Активність деяких ключових ферментів метаболізму в зелених проростках ячменю при гипобарической гіпоксії'

    Текст наукової роботи на тему «Активність деяких ключових ферментів метаболізму в зелених проростках ячменю при гипобарической гіпоксії»

    ?С.А. Войцековская, Т.П. Астафурова, Г.С. Верхотурова, Т.А. Зайцева

    АКТИВНІСТЬ ДЕЯКИХ КЛЮЧОВИХ ФЕРМЕНТІВ МЕТАБОЛІЗМУ В ЗЕЛЕНИХ проростків ЯЧМЕНЮ ПРИ Гипобарическая гіпоксії

    Робота виконана за фінансової підтримки НП «Університети Росії», проект № УР 07.01.400.

    Досліджено вплив гипобарической гіпоксії на активність ферментів різних метаболічних шляхів в зелених проростках ячменю в умовах освітлення. Виявлена ​​активація роботи ключових ферментів дихальних шляхів: гліколізу, спиртового бродіння і пентозофосфатного циклу і фотосинтетичного метаболізму в проростках ячменю в умовах гіпо-барической гіпоксії як в темряві, так і на світлі. Компенсаторні перебудови обміну речовин у зелених рослин при дефіциті кисню пов'язані з трансформацією дихальних шляхів і активацією ферментів темновой фази фотосинтезу.

    Вивчення механізмів пристосування організмів до мінливих умов середовища проживання стає особливо актуальним у зв'язку з глобальними змінами клімату, забрудненням навколишнього середовища, а також для вирішення різних практичних задач. Здатність рослин виростати в збідненої киснем середовищі пов'язана з формуванням цілого комплексу анатомо-морфологічних і фізіо-лого-біохімічних пристосувань, серед останніх провідна роль належить пристосуванням процесу дихання. Оптимальне для дихання парціальний тиск кисню становить 21%, зниження цього показника відбивається на рівні і структурі процесу дихання. Якісні перебудови дихання при нестачі кисню є компенсаторні зміни в обміні речовин, що виражаються в трансформації дихальних шляхів, які залишаються недостатньо вивченими, особливо для фотосинтезуючих органів рослини.

    При затопленні, освіті крижаної кірки, створенні асфальтових покриттів в містах недолік кисню відчувають в першу чергу гетеротрофні органи рослини. У високогірних районах, при забрудненні атмосфери в умовах кисневої недостатності виявляється цілу рослину. Адаптаційні механізми, обумовлені взаємодією фото- і нефотосинтезирующих органів рослинного організму, експериментально можна вивчати в умовах гипобарической гіпоксії шляхом зниження парціального тиску газів, серед яких найбільше значення мають кисень і вуглекислий газ.

    Компенсаторні перебудови дихального метаболізму при нестачі кисню в значній мірі відображають використання сформованих систем гліколізу і пентозофосфатного шляху окислення глюкози, що постачають АТФ, досить велика кількість проміжних речовин для биосинтезов і біологічних восстановителей [1]. Про хід адаптивних перебудов метаболізму в анаеробних умовах можна судити по зміні активності деяких ключових ферментів метаболізму. Метою цієї роботи було вивчення активності ферментів дихального і фотосинтетичного метаболізму при гипобарической гіпоксії в зелених проростках ячменю на світлі і в темряві. До завдань роботи входило:

    1) визначення активності заключного ензиму спиртового бродіння алкогольдегідрогенази (КФ 1.1.1.1, АДГ) в умовах освітлення при гіпоксії;

    2) дослідження впливу гипобарической гіпоксії на активність ферменту пентозофосфатного шляху глюко-зо-6-фосфатдегідрогенази (КФ 1.1.1.49, Г-6-ФДГ);

    3) порівняння роботи одного із завершальних фермен-

    тов гліколізу піруваткінази (КФ 2.7.1.40, ПК) в умовах аерації і анаеробіозу на світлі і в темряві;

    4) вивчення дії гипобарической гіпоксії на активність фотосинтетичного ферменту гліцеральде-гідфосфатдегідрогенази НАДФН-залежної (КФ 1.2.1.13, ГАФДГ-НАДФН).

    Об'єктом дослідження служили 8-добові зелені паростки озимого ячменю (Hordeum vulgare L.) сорту Скороход. Рослини вирощували при температурі повітря 22-24 ° С під люмінесцентними лампами інтенсивністю 40 Вт / м2 з 12-годинним фотоперіодом. Гипоксические умови досягалися приміщенням рослин в барокамери зі зниженим парціальним тиском кисню (2 кПа) на 16 год в умовах освітлення або темряви. Контрольні групи рослин витримували таку ж кількість часу при нормальній аерації і атмосферному тиску на світлі або в темряві. Кількісне визначення білка в рослинах здійснювали за методом Бредфорда [2]. Вивчення ферментативної активності проводили спектрофотометрично по зміні оптичної щільності при 340 нм в ході окислювально-відновних перетворень НАД + або НАДФ + [3-5]. Результати обробляли статистично [6].

    Основний шлях розпаду глюкози в безкисневому середовищі - гліколіз, що забезпечує клітину енергією. Зростання активності гликолитических ензимів в анаеробних умовах спостерігали у багатьох рослинних об'єктів [7]. Однак швидкість перемикання на гліколіз, граничний рівень і динаміка розрізняються у рослин, контрастних по стійкості до гіпоксії. У нестійких об'єктів збільшення активності гліколізу виявляється короткочасним. У пристосованих рослин цей процес при меншій інтенсивності здійснюється протягом тривалого часу, що забезпечує достатню кількість АТФ для підтримки синтетичних реакцій. Активність одного з ферментів гліколізу - ПК в проростках ячменю зростала в 1,5 рази в умовах гипобарической гіпоксії в темряві в порівнянні з контролем при аерації (табл. 1). В освітлених проростках ячменю гіпоксія також індукувати зростання активності цього гліколітіче-ського ензиму, хоча і в меншій мірі, ніж в темно-вом варіанті. Відомо, що в ході піруваткіназной реакції гліколізу шляхом субстратного фосфорилювання-вання утворюється АТФ, необхідна для підтримки енергетичного балансу.

    Активність ферментів дихального метаболізму в проростках ячменю при нормальній аерації і в умовах гипобарической гіпоксії на світлі або в темряві

    варіанти Ферменти

    піруваткіназа алкогольдегидрогеназа глюкозо-6-фосфатдегідрогенази

    МО / мг білка% МО / мг білка% МО / мг білка%

    Аерація, світло 45,3 ± 3,25 100 111,4 ± 5,43 100 2,6 ± 0,16 100

    Гіпоксія, світло 55,3 ± 4,85 122 428,3 ± 20,13 384 14,4 ± 0,62 554

    Аерація, темрява 33,6 ± 1,20 100 123,3 ± 6,06 100 1,3 ± 0,15 100

    Гіпоксія, темрява 50,3 ± 5,05 167 394,3 ± 7,25 320 6,6 ± 0,85 508

    Примітка. Р ~ 8 кПа, Ро ~ 2 кПа. Освітленість 40 Вт / м2. Час експозиції 16 год. Всі відмінності між контролем і досвідом достовірні при р<0,05.

    Підтримка високої швидкості гліколізу вимагає безперервного реокісленія відновлюються в ході його коферментів, яке у відсутності кисню як кінцевого акцептора електронів в електронтранспорт-ної ланцюга мітохондрій може відбуватися у рослин в кінцевих реакціях спиртового бродіння. Цим можна пояснити значне зростання активності заключного ензиму спиртового бродіння АДГ в проростках ячменю при гипобарической гіпоксії. Якщо в умовах аерації при нормальному атмосферному тиску активність АДГ становила 123,3 МО / мг білка, то після 16-годинної гипобарической гіпоксії в Темнова варіанті досягала 394,3 МО / мг білка, що становить 320% до відповідного контролю (табл. 1) . Присутність світла під час гіпоксичного впливу в барокамері посилювало перебіг заключній реакції бродіння. Збільшення активності АДГ по відновленню ацетальдегіду в етанол має призводити до накопичення цього токсичного кінцевого продукту бродіння. Однак з літературних джерел відомо, що накопичення етанолу інтенсивно наростає тільки у непристосованих до гіпоксії рослин. У пристосованих об'єктів його зміст поступово стабілізується внаслідок протікання різноманітних адаптаційних механізмів [1, 8].

    До неспецифічним реакцій рослин на різні несприятливі дії відноситься прискорення роботи пентозофосфатного шляху. Вважають, що в умовах кисневої недостатності процеси гліколізу і апотоміческого розпаду здійснюються паралельно в силу тісного взаємозв'язку [8]. про посилення

    Таким чином, виявлена ​​активація роботи ферментів різних дихальних шляхів: гліколізу (ПК), спиртового бродіння (АДГ), пентозофосфатного циклу (Г-6-ФДГ) і фотосинтезу (ГАФДГ - НАДФН) в проростках ячменю в умовах гипобарической гіпоксії як в темряві, так і на світлі. Перебудови дихального метаболізму на анаеробний шлях обміну в гетеротрофних

    роботи пентозофосфатного шляху окислення глюкози свідчить значне зростання активності його стартового ензиму - Г-6-ФДГ, прискорює окислення глюкозо-6-фосфату в 6-фосфоглюконолактон. У проростках ячменю після 16-годинного перебування в анаеробної середовищі в умовах темряви спостерігали п'ятикратне збільшення активності Г-6-ФДГ в порівнянні з темновим контролем при аерації (табл. 1). Аналогічна тенденція спостерігалася і на світлі, причому зростання роботи Г-6-ФДГ було навіть більш значним, ніж в темряві. Роль пентозофосфатного шляху при дефіциті кисню складається в освіті восстановителей і интермедиатов, необхідних для біосинтезу. Наприклад, показано, що у ежовника, пристосованого до дефіциту кисню в його природних умовах проживання, НАДФН з пентозофосфатний-го шляху використовується для синтезу жирних кислот [8].

    Отримані дані по дії гипобарической гіпоксії на дихальний метаболізм зелених проростків цікаві з точки зору внутрішньоклітинних взаємин органел і впливу не тільки дихання на фотосинтез, але і фотосинтезу на дихання. Дійсно, в екстремальних гіпоксичних умовах в зеленому листі в темряві і на світлі активується фотосінтеті-ний фермент ГАФДГ-НАДФН (табл. 2). Мабуть, активація дихального метаболізму в клітинах листа компенсує дефіцит СО2, НАДФН, АТФ і продуктів обміну і одночасно при нетривалої гіпоксії викликає посилення фотосинтетичної активності і стабілізацію первинних фотохімічних реакцій, локалізованих в хлоропластах.

    і автотрофних тканинах рослини, кооперація процесів дихання і фотосинтезу дозволяють підтримувати енергетичний баланс клітини, ведуть до утворення необхідної кількості восстановителей і проміжних сполук, необхідних для різних биосинтезов, що забезпечує поряд з іншими захисними реакціями стійкість рослин до гіпоксії.

    Таблиця 2

    Активність гліцеральдегідфосфатдегідрогенази в проростках ячменю при нормальній аерації і в умовах гипобарической гіпоксії на світлі або в темряві

    Варіанти МО / мг білка%

    Аерація, світло 188,7 ± 8,85 100

    Гіпоксія, світло 224,0 ± 6,23 119

    Аерація, темрява 170,1 ± 7,87 100

    Гіпоксія, темрява 259,7 ± 7,45 153

    Примітка. Р ~ 8 кПа, Ро ~ 2 кПа. Освітленість 40 Вт / м2. Час експозиції 16 год. Всі відмінності між контролем і досвідом достовірні при р<0,05.

    ЛІТЕРАТУРА

    1. Чиркова Т.В. Фізіологічні основи стійкості рослин. СПб .: Изд-во СПб. ун-ту, 2002. 244 с.

    2. Bradford M.M. A rapid and sensitive method for the quantitation of microgram quantities of protein utilizing the principle of protein-due binding //

    Analytical Biochemistry. 1976. Vol. 72. P. 248.

    3. Романова О.К. Біохімічні методи вивчення автотрофии у мікроорганізмів. М .: Наука, 1980. 160 с.

    4. Гавриленко В.Ф., Ладигіна М.Є., Хандобіна Л.М. Великий практикум з фізіології рослин. М .: Вища школа, 1975. 397 с.

    5. Верхотурова Г.С., Астафурова Т.П. Про направлення деяких реакцій циклу Кребса в зеленому листі на світлі // Фізіологія рослин.

    1983. Т. 30. С. 580-586.

    6. Кузнєцов В.Р. Методика прискореного обчислення стандартного відхилення і помилки середньої // Соціально-гігієнічні дослідження.

    1970. С. 190-193.

    7. Чиркова Т.В. Шляхи адаптації рослин до гіпоксії і аноксії. Л .: Вид-во ЛДУ, 1988. 244 с.

    8. Семіхатова О.А., Чиркова Т.В. Фізіологія дихання рослин. СПб .: Изд-во СПб. ун-ту, 2001. 224 с.

    Стаття представлена ​​лабораторією фотосинтезу НДІ біології та біофізики Томського державного університету, надійшла в наукову редакцію «Біологічні науки» 6 серпня 2006 року, прийнята до Твитнуть 10 грудня 2006 р.


    Завантажити оригінал статті:

    Завантажити