Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 5
ГЛАВА I ОБЪЕКТ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 12
ГЛАВА п; ОСОБЕННОСТИ ВОДНОГО ОБМЕНА КОРНЕВЫХ КЛЕТОК В УСЛОВИЯХ ТОРМОЖЕНИЯ МИТОХОНДРИАЛЬНОГО ДЫХАНИЯ :. 20
2.1 0 специфике действия ингибиторов митохондриаль- ного дыхания на уровне целой ткани 22
2.1.а. Барбитураты и ротенон. 25
2.1.6. Антимицин А 38
2.1.в. Цианид; 51
2.2. Изменение водного обмена клеток при действии. специфических ингибиторов 65
ГЛАВА Ш ЗАВИСИМОСТЬ ВОДНОГО ОБМЕНА КОРНЕВЫХ КЛЕТОК ОТ УРОВНЯ - АКТИВНОСТИ КАТМОНСТИМУЛИРУЕМОЙ СТРОФАНТЙНЧУВСТВЙТЕЛЬ- НОЙ АТФ-азы ПЛАЗМАЛЕММЫ.. 75
3.1. Опредение активности строфантинчувсвительной АТФ-азы в гомогенате и фракции клеточных стенок... 78
3.2. Действие строфантина и хлористого натрия на дыхательный газообмен корней пшеницу 85
3.3. Изменение водного обмена клеток при блокировании строфантинчувствительной АТФ-азы 105
3.3.а. Водоудеркиващая способность .105
3.3.б. Объемные изменения клеток..*, НО
3.3.в. Внутриклеточный водообмен ...119
ГЛАВА ІУ ЗАВИСИМОСТЬ ВОДНОГО ОБМЕНА КОРНЕВЫХ КЛЕТОК ОТ ЙЗМЕНЕНИЙ-СТРЖТУРНОГО СОСТОЯНИЯ МЕМБРАН. 126
4.1. Действие ионов свинца (блокаторов белкового компонента плазмалеммы) на дыхание и водоудерживающую способность клеток. , 128
4.2. Влияние ионов кальция и его антагонистов (модифи-каторов мембран) на водный обмен клеток корней 149
4.3. Индукция водопроницаемости корневых клеток полие- новыми антибиотиками (антагонистами мембранных стеринов) 177
ГЛАВА У ОСОБЕННОСТИ ДЕЙСТВИЯ НА ВОДНЫЙ ОБМЕН КЛЕТОК КОРНЕЙ ИНГИБИТОРА ОКИСЛЕНИЯ.В ЭНДОПЛАЗМАТИЧЕСКОМ РЕТИКУЛ7МЕ СКФ-52 5А И АСКОРБАТА. 192
5.1. Изменение дыхания корней под влиянием СКФ-525А и аскорбата 192
5.2. Снижение водоудерживающей способности и возрастание водопроницаемости клеток под влиянием СКФ-525А и аскорбата (индукция перекисного окисления липидов).20б
ГЛАВА УІ АКТИВНОСТЬ МИТОХОНДРЙАЛЪНОГО ДЫХАНИЯ И ОКИСЛИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ ЭНДОПЛАЗМАТИЧЕСКОГО РЕТИКУЛУМА ПРИ ОБЕЗВОЖИВАНИИ КОРНЕЙ ... 213
6.1. О специфичности действия ингибиторов и субстратов окислительной системы эндоплазматического ретикулума.214
6.2. Активация окислительной системы эндоплазматического ретикулума при нарушении водного обмена корней (обезвоживание) 227
ЗАКЛЮЧЕНИЕ; 236
ВЫВОДЫ 251
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 255
Введение к работе
Актуальность работы. ХХУІ Съезд, выдвигая широкую программу социального развития и повышения народного благосостояния, на первый план поставил задачу улучшить снабжение населения продуктами питания. Свидетельством этому явилось принятие Майским Пленумом ЦК КПСС 1982 года Продовольственной Программы СССР на период до 1990 года. В реализации решений Пленума и выполнении намеченных Программой задач важная роль принадлежит науке. В Продовольственной Программе СССР особо подчеркивается необходимость проведения исследований в области рационального использования водных ресурсов. Эта проблема действительно является важнейшей. По данным Института водных проблем АН СССР общее количество воды на Земле составляет 1,4-1,5 млрд.км , из нее пресной только 2, 8#. Доступной для человека пресной воды всего 0,2%, Следует отметить, что за последние 25 лет расход воды является одной из основных причин неуклонного нарастания водного дефицита.
Подданным этого же Института водных проблем АН СССР за последние 50 лет уровень мирового океана повысился на 10 см. Таким образом, произошло (и происходит!) уменьшение содержания воды замкнутых водоемов, ледников, грунтовых вод. Это вторая причина нарастания водного дефицита. Проблема пресной воды, следовательно, является проблемой номер один, и в такой ситуации особую актуальность приобретает вопрос о рациональном использовании воды. Именно поэтому в Продовольственной Программе СССР подчеркивается важность и необходимость исследований в этой области.
Одним из основных факторов, способствующих рациональному, экономному использованию водных ресурсов в сельском хозяйстве, является познание природы водного обмена растений.
Несмотря на большие достижения в изучении водного режима растений, многие вопросы остаются до сир пор практически неизученными. Особенно это касается процессов транспорта воды как в целом растении, так и Б клетках. Б настоящее время мы имеем весьма скромные сведения о регулярных механизмах, лежащих в основе взаимодействия энергетики и транспорта воды Б растительной клетке. К этому следует добавить недостаточность наша знаний о природе водоудерживающей способности клеток растений. Можно полагать, что именно водоудерживающая способновть является ответственной за поступление и расход воды в растительном организме. Водный обмен клеток растений, вероятно, связан с энергетическим метаболизмом именно через водоудерживающую способность. Д.А.Сабини н (1955) писал, что существует.много фактов, свидетельствующих о зависимости способности протопласта удерживать воду, от дыхания. Далее отмечается, что сам механизм зависимости от дыхания способности мезоплазмы удерживать воду остается пока совершенно неясным. К сожалению, он неясен и до сих пор.
Проблема взаимоотношения водного транспорта, водоудерживающей способности, энергетического обмена сложная и требует поэтапного решения, трудность заключается в том, что исследование процессов водного обмена клетки необходимо проводить в условиях целостности, поскольку само разделение клетки на составные компоненты не дает представления, например,„о природе сил, удерживающих воду. Поэтому весьма актуальным представляется и сам поиск подходов для решения отмеченных задач.
Продовольственной Программой СССР поставлена, помимо необходимости рациональногв использования водных ресурсов, еще одна важная проблема - создать и внедрить сорта растений, устойчивые к неблагоприятным факторам среды, невосприимчивые к -вредителям и ж Д- По-видимому, одним из основных неблагоприятных факторов внешней среды, приводящим к большому снижению урожаев, является засуХа. Проблемы засухоустойчивости растений и рационального использования водных ресурсов как бы смыкаются и должны решаться в комплексе.
В связи с этим, особую актуальность приобретают исследования, касающиеся выявления закономерностей, особенностей метаболизма растительной клетки в условиях засухи, при нару-шенном водном обмене. Таким образом, встает вопрос не только об энергетике водного транспорта, водоудерживающей способности, но и о зависимости самой энергетики, в частности дыхания, от .уровня водообеспеченности растительной клетки. Достаточно подробная характеристика дыхания, его энергетических возможностей в условиях обезвоживания клетки дана В.Н.Жолкевичем (1968). Однако многие вопросы до настоящего времени еще не решены, и одним из таких вопросов является выявление изменений соотношения вклада отдельных органоидов клетки в потребление кислорода при нарушениях водного режима на фоне засухи. В условиях патологии, в том числе и при обезвоживании, в клетках могут накапливатьпя различные продукты распада, ингиби-рующие энергетический обмен. Патология в ходе обезвоживания может усугубиться в тех случаях, когда растения обработаны различными ядохимикатами, которые также нарушают энергетический обмен. В такой ситуации важно установить, насколько клетка растения способна детоксицировать ядовитые продукты, насколько активно и какие внутриклеточные системы при этом работают. Подобного рода исследования являются новым направлением в физиологии растений.
Таким образом, совокупность требований к науке настоящего времени вообще, и к физиологии водного обмена и устойчивости растений в частности, позволили поставить определенную цель и задачи.
Цель и .задачи исследования. Основная цель наших исследований заключалась в выявлении связи водного обмена растительной клетки с дыхательным газообменом, а также структурным состоянием мембранных образований П dilh.
Были поставлены следующие задачи:
1. Изучить ВОДНЫЙ обмен клеток в условиях ингибирования митохондриального дыхания специфическими ингибиторами с одновременным доказательством специфичности действия этих ингибиторов.
2. Выявить роль некоторых компонентов мембран (ионов кальция, стеринов), а также процесса перекисного окисления липидов в стабилизации-дестабилизации водного обмена клеток и их водоудерживающей способности.
3. Показать зависимость водного обмена (водоудерживающей способности, внутриклеточного водообмена) от уровня активности катион-стимулируемой строфантинчувствительной АТФ-азн плазмалеммы.
4. Проследить за изменением вклада в потребление кислорода митохондриального дыхания и окисления в эндоплазматичес-ком ретикулуме в условиях водного дефицита.
Науч ная_ но ви зн а. Использованные нами впервые в физиологии растений подходы при исследовании связи водного обмена растительной клетки с ее дыхательным метаболизмом и проницаемостью мембранных образований для воды позволили установить следующее.
Показано, что при ингибировании митохондриального дыхания специфическими ядами (специфичность действия ядов элект-ронтранспортной цепи митохондрий на уровне целой растительной ткани впервые установлена в нашей работе) происходит - -"задержка" воды в клетках и возрастание их водоудерживающей способности. Факторами, обусловливающими эти процессы, могут быть: резервирование воды в митохондриях (наблюдается расширение митохондриальных крист и просветление матрикса) и снижение проницаемости мембран для воды.
Впервые установлено» что поглощение и отдача воды клетками растений определяется уровнем активности строфантинчув-ствительной АТФ-азы плазмалеммн. Ингибирование этой АТФ-азы строфантином (особенно на фоне ионов натрия) сопровождается также "задержкой" воды в клетках и увеличением их водоудер-живаюжей способности. При этом имеет место изменение внутриклеточного водообмена: накопление воды в митохондриях и каналах эндоплазматического ретикулума.
Впервые экспериментально установлено, что при изменении структурного состояния мембран выявляется роль их проницаемости для воды в водном обмене и сохранении необходимого уровня водоудерживающей способности. Разработанные нами методические приемы (использование мембранных модификаторов) позволили установить, что стабильность водопроницаемости растительной клетки определяется ио-нами кальция и стеринами. Частичное удаление этих компонентов из мембран сопровождается резким увеличением водопроницаемости (падением водоудерживающей способности).
Характер влияния мембранных модификаторов, в зависимости от концентрации, на проницаемость мембран для воды и ионов Поалужил основанием выдвинуть положение о наличии в мембранах различных "каналов" для движения воды и ионов.
На основании наших экспериментальных данных можно говорить о важной роли перекисного окисления липидов мембран в процессах лабилиэации проницаемости для воды и регуляции тем -самым водоудерживающеи способности растительной клетки.
В нашей работе также впервые показано, что в условиях водного дефицита изненяеися соотношение митохондриального и внемитохондриального потребления кислорода клетками. Получены результаты, свидетельствующие о том, что система эндоплазмати- ческого ретикулума обладает слабой активностью в норне (по потреблению кислорода) и может резко активироваться классически- ки субстратами окислительного деметилирования. Активность окислительной системы эндоплазматического ретикулума значительно возрастает в условиях обезвоживания, что подтверждает наше предположение об усилении:рабо ты этого детоксицирующего аппарата. При этом несколько подавляется активность электронного транспорта в митохондриях, особенно в области первого сегмента. Высказано предположение о тесной связи в работе митохондрий и эндоплазматического ретикулума в условиях водного дефицита. Практическая значимость. Полученный экспериментальный материал свидетельствует о целесообразности использования предлагаемых нами теоретических и методических подходов в ис-следованиях взаимосвязи двух фундаментальных сторон метаболизма живой клетки - водного и дыхательного) обмена, а также и в других областях физиологии растений.
Результаты нашей работы дают также возможность наметить дальнейшее развитие сравнительно новых направлений в физиологии растений:
1. Выявление более конкретных звеньев взаимосвязи водного обмена с энергетикой и структурным состоянием мембран, а также изыскание возможностей управления водоудерживающей- способностью клеток.
2. Исследование взаимодействия окислительных систем митохонд - рий и эндоплазматического ретикулума в целой клетке при различных условиях существования растений.
Основные положения, выносимые на защиту.
1. Водный обмен клеток находится в тесной связи с митохо-ндриальным дыханием. Эта связь осуществляется через перераспределение воды внутри клетки, изменение активности строфантин-чувствительной АТФ-азы плазмалеммы и проницаемости мембран для воды.
2. Стабильность проницаемости мембран клеток для воды (барьерная функция мембран) и водоудерживающая способность в . значительной степени определяются .такими компонентами, как ио-ны кальция, отерины, а также активностью процесса перекисного окисления липидов.
3. В клетках корней пшеницы функционирует окислительная система эндоплазматического . ретикулума (система детоксикации), которая активируется в условиях обезвоживания. Одновременна снижается потребление кислорода митохондриями.
