Главная > Разное > Фотобиология
<< Предыдущий параграф
Следующий параграф >>
<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Макеты страниц

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 антоцианов 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 эффектам.

Рис. 37. Спектры действия ускорения (а) и угнетения (б) прорастания семян Lepidium virginucum (1) и Lactuca sativa (2) (Toole E. et al., 1956)

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 хлоро-пластах (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 В некоторых работах приводятся и другие значения: от до что может быть обусловлено процессами агрегации и дезагрегации субъединиц хромопротеида. 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 В составе фитохрома около 4% углеводов. Полагают, что к белковому носителю, не содержащему дисульфидных мостиков, присоединен тиоэфирной связью билитриеновый хромофор — разомкнутый тетрапиррольный цикл:

По спектрально-абсорбционным (рис. 38) и хроматографическим свойствам хромофор фитохрома — фитохромобилин близок к хромофорам фикоцианина. Близки и их спектры флуоресценции (максимум при при возбуждении

Выделенный из растения фитохром может существовать в двух взаимопревращающихся формах,

обладающих длинноволновыми максимумами поглощения при и

Квантовые выходы прямой и обратной фотоконверсий фитохрома составляют 0,28 для и 0,20 для Молярные коэффициенты экстинкции форм Реео и равны соответственно

Рис. 38. Спектры поглощения фитохрома (1), фикоцианина (2) и аллофикоциаиина (3) из Plectonema boryatium (Hendricks S., Siegel

Рис. 39. Спектры действия конверсии (а — экстинкция, квантовый выход) (Butler W. et al., 1965)

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

Вследствие значительного перекрывания спектров поглощения и фотообратимого характера реакций при длительном освещении между формами устанавливается динамическое равновесие, при котором их количественное соотношение зависит от длины волны света. Так, для равно а для . Спектр действия реакции совпадает со спектром поглощения , а спектр действия со спектром поглощения (рис. 39).

В результате индуктивно-резонансной миграции

энергии от ароматических аминокислот белкового носителя к хромофору с эффективностью 30—35% свет, поглощенный белком оказывается активным как для прямой, так и для обратной реакции, причем квантовый выход сенсибилизированной фотоконверсии Рббо также больше, чем квантовый выход сенсибилизированной фотоконверсии Наряду с этим отмечается медленный темновой переход Эта реакция активируется температурой НАДН, ФАДН 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 ( и дальним красным ( светом. Так, спектры действия ускорения и торможения прорастания 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

Характерно, что для самых разнообразных морфогенетических ответов у различных растительных объектов действие красного 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)

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:

где разность оптических плотностей при после К-освещения; — то же после ДК-освещения.

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

Следовательно, за поглощение биологически активного 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 морфогенетически 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 осуществляется через следующие стадии:

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

К сожалению, мало определенного можно сказать о природе первичной фотохимической реакции при переходе 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-превращения. По другим данным, в основе трансформации лежит не пространственное изменение структуры хромофора, а химическая реакция, заключающаяся в превращений насыщенной метанной связи между кольцами в насыщенную:

Общепринято, что промежуточные продукты превращения фитохрома представляют собой конформеры белкового носителя. Различия в конформации белкового носителя форм следуют из кривых дисперсии оптического вращения и кругового дихроизма в спектральном интервале Конформационная перестройка белка в ходе реакции подтверждается появлением разностных спектров поглощения между Рббо и в области 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 также протекает через ряд промежуточных стадий: люми-, мета- и Из них два первых продукта фотообратимы.

Прямая и обратная реакции характеризуются не только различными квантовыми выходами, но и различными скоростями (для 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 конформационным переходам, при которых существенным образом не меняется степень упорядоченности белковой макромолекулы. Об этом свидетельствуют небольшие изменения энтропии активации кал/моль-град) промежуточных стадий фотоконверсии фитохрома в растворе, а также близость гидродинамических и иммунологических свойств

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 причем в большинстве случаев физиологически активной является форма Многими исследователями выявлена линейная зависимость величины биологического эффекта от логарифма концентрации 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 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.

<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Оглавление