О функционировании Na+/Ca2+ - обменника в клетках растений Корчуганова, Екатерина Евгеньевна

Введение к работе

Актуальность проблемы. Одним из мощнейших механизмов удаления основного количества свободных ионов кальция (Са²⁺) из клеток животных после возбуждения является Na⁺/Ca^z+-o6MenHMK (Schatz-mann, 1985). На⁺/Са²⁺-обменник представляет собой белок- переносчик, обменивающий кальций на натрий. Мощность этого переносчика очень велика, однако он имеет невысокое сродство к Са²⁺. На⁺/Са²⁺-обменник, не обладая собственным механизмом энергообеспечения, частично использует энергию концентрационного градиента Na⁺, однако основная часть энергии поставляется за счет транс-мембранной разности потенциалов, существующей на плазматической мембране клеток. Na⁺/Ca²⁺-обмен является электрогенной системой: один ион кальция обменивается на- три иона натрия (Schatzrnann, 1995). Ряд исследователей установили, что Ыа⁺/Са²⁺-обменник может обеспечивать как выброс Са²⁺ в межклеточное пространство, так и его поглощение в зависимости от соотношения градиентов Na⁺ и Са²⁺. Клетки аккумулируют Са²⁺, когда через мембрану создается направленный наружу градиент ионов натрия. Причем, поглощение Са²⁺ зависит от величины трансмембранного градиента Na⁺, то есть увеличение внутриклеточной концентрации Na⁺ заметно стимулирует поглощение Са²⁺, в то время, как увеличение внеклеточной концентрации Na⁺ сильно его ингибирует (Ueda, 1983; Cheon, Reeves, 1988).

Данные о функционировании №⁺/Са²⁺-обменника в мембранах растительных клеток в имеющейся на сегодня литературе отсутствуют. Показано,, однако, что градиент Na⁺ на плазмалемме растительных клеток может быть очень высоким (Tazawa et al., 1974). Можно полагать, что у растений-галофитов для защиты цитоплазмы от засоления может служить Na⁺/H⁺-антипорт (Баянокин, 1995), Na⁺-АТФаса (Shonoetal., 1995), На⁺/К⁺-АТФаза плазмалеммы (Гордон, 1976; Палладина, 1983). В то же время, высокое содержание Na⁺ в клетках галофитов (Bental et al., 1988; Балнокин, 1995), очевидно, предусматривает механизм регуляции внутриклеточной концентрации Na*, не сопряженный с большой затратой энергии АТФ. Имеющиеся в литературе данные о зависимости транспорта Са²⁺ и его содержания в клетках растений от наличия в питательной среде Na⁺ (Cramer et

al., 1985; Maton et al., 1986; Петрог-Спиридонов, Ионева, 1987 не исключают возможности функционирования Na⁺/Ca²⁺ -обменника мембранах растительных клеток. Каримовой с сотр. (1989) был пока ван противоположно направленный транспорт Са⁺ и Na⁺ в клетка корней бобов, выращенных на среде без Са²⁺, при его замене на Na⁺ Авторами было зарегистрировано влияние экзогенного АТФ на обме Са²⁺ и Na⁺ в корнях бобов (Каримова и др., 1989; 1991). Активаци NaVCa²*-обмена посредством АТФ была показана еще в 1974 г. DiPo 1о и Beauge на нервных клетках. Их дальнейшие исследования свиде тельствовали об активации На⁺/Са²⁺-обмена Са²⁺- кальмодулинзави симым фосфорилированием переносчика (Dipolo, Beauge, 1987). Сага foil (1984) было показано, что полностью активированный с помощь Са²⁺-зависимого фосфорилирования №⁺/Са²⁺-переносчик сарколемм имеет значительно большее сродство к Са²⁺, чем нефосфорилирован ный.

Таким образом, исходя из данных литературы о зависимост транспорта Са²⁺ в клетках растений от содержания Na⁺ во внешне среде и концепции об универсальности молекулярных механизмов ре гуляции клеточной активности (Тарчевский, 1993), можно предполо жить функционирование №⁺/Са²⁺-обменника в клетках растений. Не обходимость осуществления глубоких исследований в этой облает очевидна,' также потому, что Са²⁺ является вторичным посреднике регуляции метаболизма (Rasmussen, 1982, 1984).

Цель и задачи исследования. Цель настоящей работы- изучит противоположно направленный трансмембранний перенос Na⁺ и Са²⁺ клетках водорослей и механизмы его регуляции, соответствующи критериям активности Ма⁺/Са²⁺-обменной системы.

При проведении исследований были поставлены следующие задач

1. Выявить взаимосвязь потоков Са²⁺ и Na⁺ в клетках водорос лей: установить влияние величины и направления трансмембранног градиента Na* на величину и направление транспорта Са²⁺ и Na⁺ клетках галотолерантных водорослей.

2. Исследовать влияние состава среды инкубирования клето водорослей на противоположно направленный трансмембранный лерено Са²⁺ и Na⁺.

3. Выявить возможный вклад в потоки Са²⁺ и Na⁺ через плазма лемму клеток галофитов Са²⁺-каналов, протонтранспортирующих сие

тем, Ма⁺/К⁺-АТФазы.

4. Изучить возможность регуляции NaVCa^-oOMeHa посредством цАМФ и АТФ.

5. Сравнить основные характеристики противоположно направленного транспорта Са²"*" и Na⁺ в клетках водорослей различной толерантности к засолению.

Научная новизна. В результате выполненных исследований впервые бы* показан противоположно направленный транспорт Са²⁺ и Na⁺ в условиях трансмембранного градиента Na⁺, направленного из клетки во внешнюю среду, для зеленых одноклеточных водорослей различной степени толерантности к засолению.

Была показана зависимость направления и величины обмена Са²⁺ на Na⁺ от направления и величины трансмембранного градиента Na⁺, определены соотношения величин транспортируемых Са²⁺ и Na⁺ в различных экспериментальных условиях, произведены расчеты скоростей переноса этих ионов за различные промежутки времени для экстремального и морского галофита, вычислены Км(Са²⁺). Обнаружено влияние ионного состава среды на транспорт Са²⁺, Na⁺, К⁺, Н⁺ в клетках D.maritima. Двухвалентные катионы (Ва²⁺, Mg^z+, Мп²⁺) ингиби-ровали противоположно направленный транспорт Са²⁺ и Na⁺. В подобранных нами экспериментальных условиях блокаторы Са²⁺-каналов и ингибиторы Н⁺-АТФазы не оказывали значительного влияния на пере-нос Са²⁺ и Na⁺. Ингибитор На⁺/К⁺-АТФазы оубаин частично подавлял еыход Na⁺ из клеток D.maritima. Показана регуляция противонаправленного трансмембранного переноса Са²⁺ и Na⁺ посредством Са²⁺-эависимого фосфорилирования. Полученные нами данные укладываются в рамки критериев функционирования в плазматич эских мембранах водорослей На⁺/Са²⁺-обменника, свойства которого изучены на клетках животных.

і тактическая значимость. Представленная работа приводит весомые доказательства в пользу функционирования в плазмалемме клеток растений Naⁱ"/Ca²⁺-o6M6HHHKa, который в клетках животных является мощнейшей системой удаления Са²⁺ иа цитозоля. Результаты исследования не только расширяют знания относительно регуляции Са²⁺- гомеостаза растительных клеток, но и предполагают воэмошшй вклад Na⁺/Ca²⁺-o6MeHou системы в механизмы адаптации галотоле-рантных растений к условиям повышенной засоленности.

Полученные результаты могут быть рекомендованы для включения в лекционные курсы по физиологии и биохимии растений.

Апробация работы. Основные результаты исследований были представлены на IX Конгрессе FESPP (Прага,1994), 11 Республиканской конференции "Актуальные экологические проблемы Республики Татарстан" (Казань, 1995), на Ежегодном симпозиуме "Физико-химические основы физиологии растений" (Пущино, 1996), на отчетных конференциях Института биологии КНЦ РАН (1995, 1996).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 7 работ, 1 находится в печати.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, описания объектов и методов исследования, изложения полученных результатов и их обсуждения, заключения, выводов. Работа изложена на/^ страницах машинописного текста, содержит 2>3 рисунков, ЛЗ таблиц, список цитируемой литературы включает /^наименований, из них /&&- на иностранных языках.

Похожие диссертации на О функционировании Na+/Ca2+ - обменника в клетках растений

Низкотемпературная индукция синтеза стрессовых белков в клетках растенийКорытов, Михаил Вениаминович

Ферменты первичной защиты от окислительного стресса у вакуолей клеток растенийИшеева Оксана Дамбинимаевна

Физиология роста культур клеток растений в биореакторах (периодические режимы)Липский, Александр Хемович

цАМФ-мессенджерная система клеток растений и ее роль в регуляции транспорта воды и Са2+Каримова, Фатима Габдуллазяновна

Особенности культивирования клеток растений семейства тиссовых - продуцентов дитерпеноида таксолаУразбахтина, Нурия Анасовна

Влияние глубокого замораживания на плазмалемму культивируемых клеток растенийФедоровский, Дмитрий Николаевич

Активные формы кислорода в гибели клеток растений : роль митохондрий, NADPH-оксидазы плазматической мембраны и апопластной пероксидазыНесов, Артем Владимирович

Активация программируемой клеточной гибели в суспензионных культурах клеток растений в условиях пониженных температурЛюбушкина, Ирина Викторовна

Анализ влияния малых доз ионизирующей радиации на протонную проницаемость и активность H+ -атфазы плазмалеммы клеток высшего растенияШибарова Анна Николаевна

РАДИОИНДИКАТОРНОЕ ИЗУЧЕНИЕ МЕХАНИЗМА ПОГЛОЩЕНИЯ ИОНОВ КАЛЬЦИЯ И РУБИДИЯ КЛЕТКАМИ КОРНЯ РАСТЕНИЙМихаил, Николаевич Барабанщиков