Особенности метаболизма глицина в высших растениях Быкова, Наталия Вячеславовна

Введение к работе

Актуальность проблемы.

Метаболизм глицина в растениях до настоящего времени имеет ряд малоисследованных аспектов. Внимание к нему было привлечено в связи с исследованием фотодыхания. Фотодыхание - это идущий на свету процесс выделения С0₂ и поглощения 0_г, связанный с оксиге-назной реакцией центрального фермента фотосинтеза рибулозобисфос-фаткарбоксилазы-оксигеназы. Он включает гликолатный и глицератный пути и осуществляется в результате взаимодействия хлоропластов, пероксисом, митохондрий и цитозоля.

' После открытия фотодыхания появилось представление, что, поскольку этот процесс связан с выделением части ассимилированного С0₂, его ингибирование может способствоввать увеличению продуктивности растений. Эксперименты в этом направлении не дали положительных результатов. Более того, торможение гликолатного пути имело целый ряд негативных последствий для жизнедеятельности растений. Было также сделано предположение, что у высокопродуктивных сортов большая часть фотсдыхательнсго углерода возвращается в цикл Кальвина. Важным аспектом данной проблемы является осмысление роли конкретных звеньев окислительного метаболизма в характере использования ассимилятов и приросте биомассы в целом.

Повышение продуктивности растений возможно в результате изменения структуры и организации метаболических путей, развития взаимосвязей между различными процессами целостного организма. При этом эволюция культурных растений не обязательно сопровождается увеличением интенсивности фотосинтеза. Как указывает А.Т.Искроно-сов (1983), высокая удельная активность фотосинтеза становится фактором высокого урожая лишь при условии, если этот признак сочетается с рядом других параметров, в частности с хорошим ассимиляционным потенциалом и оптимальной структурой ростовых процессов.

В эволюции типов фото-синтетического метаболизма пероксисо-мальное фотодыхание явилось основой, над которой как бы надстраивались другие метаболические пути. Энергетически неэффективное пе-роксисомальнсе окисление, приводящее к образованию пула органических кислот и аминокислот, стало важным условием объединения реакций энергетического и конструктивного обмена, протекающих в разных компартментах клетки, в единую целостную регулируемую систему. Но при этом фотодыхательный процесс генерирует возможность синтеза

новых продуктов метаболизма и осуществления новых путей биохимических превращений в растениях (Игамбердиев, 1990).

Узловым пунктом гликолатного метаболизма является реакция окислительного декарбоксилирования глицина - один из осноеных пунктов регуляции редокс-статуса и энергетики фотосинтезирующеи клетки. Метаболизм глицина - это важное связующее звено в фотоды-'хательком процессе. Его организация и возможность возникновения разветвлений в разных точках путей превращений, связанная с тек, что гликолаткый цикл может быть не полностью замкнут, представляет особый интерес для исследователей.

Кроме того, процесс утилизации глицина монет рассматриваться как- один из центральных путей азотного метаболизма растения. Известно, что синтез аминокислот на свету связан прежде зсего с функционированием фотодыхательного-азотного цикла с участием аммиака, образуемого в реакции превращения глицина в серии, и ферментной системы глутамкксинтетаза-глутаматсинтаза (Измайлов, 1986). Другая сторона участия этого процесса в азотном обмене - это поставка иктермедиатов для синтеза аминокислот.

Исследование особенностей метаболизации глицина необходимо для изучения взаимодействия ассимиляции углекислоты и азота и длг понимания роли окислительных процессов в обеспечении продуктивности растений.

Цель и задачи работы.

Целью настоящей работы явилось изучение особенностей метаболизма глицина в различных тканях высших растений.

Задачи работы предусматривали:

1. Исследование путей электронного транспорта при окислительном декарбоксилировании глицина в митохондриях высших растений с разным типом фотосиктетического метаболизма (С₃-, С₄-растения), \ в различных тканях (фотосинтезирующеи, этиолированной и жирозапа-сающей).

2. Определение причин преимущественного окисления глицина пс сравнению с другими дыхательными субстратами в митохондриях фотосинтезирующеи ткани.

3. Выявление роли глиоксилатного цикла в образовании глицине в жирозапасающей ткани, проверка наличия в ней глициндекарбокси-лазного комплекса.

4. Изучение возможности фракционирования стабильных изотопої

углерода (¹²С,¹³С) в глициндекарбоксилазной реакции.

5. Исследование разветвлений на участке превращения глицина в серии (метаболизация глицина в глициноксидазной реакции; превращение серина в пируват под действием сериндегидратазы).

Научная новизна.

Проведенные комплексные исследования расширяют представления об организации метаболизма глицина в растительной клетке.

Утилизация глицина осуществляется с участием различных путей электронного транспорта, включающих ротенок- и цианидрезистентный пути переноса электронов. Установлено, что только в фотосинтезиру-юцей ткаки глицин имеет преимущество перед всеми другими дыхательными субстратами, включая сукцинат. Выявлена активность гдииинде-карбоксилазного комплекса (ПК) как в зеленых, так и в этиолированных тканях С₃- и С₄-растений, причем самая высокая - в зеленых листьях С₃-растений, что соответствует интенсивности фотодыхательного потока.

3 нирозапасакцих тканях растений обнаружено функционирование ГДК (максимум его активности совпадает с таковым глиоксилатного никла), и в некоторых случаях его активность сравнима с активностью в фотосиктезирующей ткани.

Впервые показано, что в ходе фотодкхания имеет место фракционирование изотопов углерода в глициндекарбоксилазной реакции. Это обеспечивает изотопные эффекты при фотосинтезе, помимо уже известных эффектов рибулозобисфссфаткарбоксилазнсй реакции.

Обнаружена утилизация глицина в цитоплазме в ходе глициноксидазной реакции, в которой происходит дэзаминирсзание глицина с образованием глиоксилата, дальнейшая метаболизация которого возможна в синтазной реакции цитоплазматической изоцитратлиазы и других процессах.

Серии, в свою очередь, под действием выявленного нами фермента сериндегидратазы в цитозоле и хлоропластах может превращаться з пируват. который далее декарбоксилируется с образованием аце-тил-СоА, а ацетил-СоА вступает в никл Кребса в митохондриях и в реакции вторичного метаболизма в хлоропластах. Это.играет существенную роль в поддержании работы ЦТК на свету, когда гликолиз подавлен, и в интеграции дыхательного и фотодыхательного метаболизма.

Практическая значимость.

Научные положения настоящей работы расширяют и углубляют современные представления о механизмах сопряжения фотосинтеза и дыхания, фотосинтеза и фотодыхания, фотодыхания и метаболизма азота и органических кислот, о роли окислительных процессов в обеспечении продуктивности растений.-

Представляется важным анализ изменений изотопных "характеристик углерода для оценки вклада в фотосинтетическую продукцию различных путей ассимиляции С0₂, изучения взаимодействия ассимиляции углекислоты и азота. Особый интерес приобретает вопрос о механизме изотопной дискриминации ¹³С и его связи с молекулярными механизмами фотосинтеза и фотсдыхания. Подобный комплексный изотопный анализ имеет большое значение для изучения корреляций изотопных характеристик с наследуемыми полезными свойствами растений и их вариациями у разных генотипов, а также с параметрами внешней среды в целях оптимизации условий выращивания растений.

Материалы работы используются в учебном процессе биолого-печ-вс-нного факультета Воронежского госуниверситета (общих курсах -"Биохимия" и "Физиология растений''', спецкурсах - "Дыхание растений" и "Фотосинтез").

Апробация работы/

Материалы диссертации были представлены и обсуждены на VIII Конгрессе Федерации европейских обществ физиологов растений (Антверпен, 1992); XXII Конгрессе Федерации европейских биохимических обществ (Стокгольм, 1993); III Съезде Российского общества физиологов растений (Санкт-Петербург, 1993); Международном симпозиуме "Физико-химические основы функционирования белков и их комплексов" (Воронен, 1995); X Международном конгрессе по фотосинтезу (Мон-пелье, 1995); Международном совещании "Дыхание растений: физиологические и экологические аспекты" (Сыктывкар, 1995); Научной сессии Воронежского госуниверситета (1995); II ежегодном симпозиуме Общества физиологов растений РАН "Физико-химические основы физиологии растений" (Пенза, 1996).

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 6 статей и 5 тезисов.

На зашиту выносятся следующие положения:

1. Метаболизация глицина в клетках высших растений осуществляется с участием различных путей электронного транспорта, вклв-

0'

чающих ротенон- и цканидрезистентный пути переноса электронов. Только в фотосинтезирующей ткани глицин имеет преимущество перед всеми другими дыхательными субстратами, включая сукцинат.

2. Окисление глицина митохондриями зеленых листьев растений С₄-типа фотссиктетической ассимиляции вдвое ниже, чем С₃-типа; а в этиолированных тканях вдвое ниже, чем в фотосинтезирующих.

3. 3 жирозапасающих тканях растений работает глкциндекарбок-силазный комплекс, максимум его активности совпадает с такоБым глиоксилатнсго никла и в некоторых случаях (щитки кукурузы) сравним с активностью з 'фотосинтезирующей ткани.

4. При фотодыхании имеет месте селекция стабильных изотопов углерода ¹²С и ¹³С в глициндекарбсксилазней реакции. Обогащение биомассы тяжелым или легким изотопами зависит от того, какой стадией (образования Пиффова основания или разрыва С-С-связи) лимитируется скорость реакции в целом.

5. Глицин дезаминируется с образованием глиоксилата под действием фермента глициноксидазы, являющегося FAD-зависикым ферментом, подверженным субстратному ингибированию.

6. Сериндегидратаза в цитозоле и хлоропластах превращает часть фотодыхательного углерода из серина з пируват. Для ферментативной активности необходим пиридсксальфосфат, отмечается субстратное икгибирование.

Структура и объем диссертации.