БИОХИМИЯ, 2014, том 79, вып. 3, с. 353 - 363
УДК 577.355.3
ДИСТАНЦИОННАЯ ПЕРЕДАЧА СИГНАЛОВ И РЕГУЛЯЦИЯ ФОТОСИНТЕЗА В КЛЕТКАХ Characeae
Обзор
© 2014 А.А. Булычев*, А.В. Комарова
Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, биологический факультет, 119992 Москва; факс: (495)939-1115, электронная почта: bulychev@biophys.msu.ru
Поступила в редакцию 12.11.13
Регуляция фотосинтетического переноса электронов в нативной клетке обусловлена структурной лабильностью тилакоидных мембран, наличием альтернативных электрон-транспортных путей, генерацией электрохимического градиента протонов и непрерывным обменом ионов и метаболитов между органеллами и цитоплазмой. Особый интерес представляют дальнодействующие взаимодействия, лежащие в основе обратимых переходов от однородного к пространственно неоднородному распределению фотосинтетической активности. Микрофлуориметрические исследования клеток Characeae с использованием насыщающих световых импульсов и электродных микрометодов выявили три механизма дистанционной регуляции, обеспечивающих функциональную координацию клеточных доменов и передачу сигналов на дальние расстояния. К ним относятся: 1) протекание круговых электрических токов между функционально различными зонами клетки, 2) проведение по клетке потенциала действия и 3) непрерывное круговое движение цитоплазмы. В обзоре рассмотрены зависимости фотосинтетической активности от мембранного транспорта протонов и pH цитоплазмы, от ионных потоков, связанных с электрическим возбуждением плазмалеммы, а также от переноса фотоиндуцированных сигналов с потоком цитоплазмы. Благодаря передаче сигналов с потоком цитоплазмы, динамичные изменения фотосинтетической активности могут развиваться вдали от места приложения локального фотостимула и с длительной задержкой (до 100 с) после завершения импульса действующего света.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: Chara corallina, трансмембранные потоки Н+, флуоресценция хлорофилла, фотосинтетический перенос электронов, внутриклеточная перфузия, потенциал действия, течение цитоплазмы.
В научных работах, на лекциях и семинарах академик Александр Абрамович Красновский большое внимание уделял процессам преобразования световой энергии в модельных системах и живых организмах. Его семинары пробудили у многих студентов глубокий интерес к проблемам фотосинтеза и роли мембран в фотобиологических процессах на многие годы. В отличие от фотореакций в реакционных смесях, фотосинтетический перенос электронов в нативной клетке подвержен тонкой регуляции в связи с лабильной структурой тилакоидных мембран, наличием альтернативных электрон-транспортных путей, влиянием электрохимического градиента протонов и непрерывным обменом ионов и метаболитов между хлоропластами и цитоплазмой [1—4].
Принятые сокращения: ПД — потенциал действия; ФС11 — фотосистема II; МРр — нефотохимическое тушение; рН0 — рН на поверхности клетки; рНц — рН цитоплазмы.
* Адресат для корреспонденции.
Одно из ярких проявлений регуляции фотосинтеза in vivo состоит в обратимых переходах между пространственно однородным и неоднородным распределением фотосинтетической активности в листьях растений и у харовых водорослей при резкой смене световых условий. При освещении листьев после темновой адаптации однородное распределение показателей флуоресценции хлорофилла и скорости фотосинтеза сменяется мозаичными изображениями с затухающей колебательной динамикой [5—7]. Чередование доменов, отличающихся по уровню флуоресценции и квантовой эффективности фотосистемы II (ФС11), выявлено и на освещенных междоузлиях харовых водорослей [8, 9] — одной из наиболее удобных моделей фотосинте-зирующей клетки. Механизмы образования на свету функционально неоднородных участков в исходно однородной системе изучены неполно. Однако известно, что у харовых водорослей пространственная самоорганизация фотосинте-
за сопряжена с образованием неоднородного распределения электрохимического градиента Н+ на тилакоидных и плазматических мембранах в разных частях клетки [9, 10]. Зоны с высокой и низкой фотосинтетической активностью в междоузлиях харофитов распределены по длине клетки в квазипериодическом порядке с характерными межзонными расстояниями 5—10 мм [11]. Возникновение и поддержание перепадов активности фотосинтеза на таких расстояниях предполагает согласованное функционирование разнородных клеточных доменов и наличие дистанционных взаимодействий между ними.
Известно, что диффузия обеспечивает быстрое взаимодействие реагентов на расстояниях до 10—50 мкм, но неэффективна для переноса веществ на дальние дистанции. Для диффузии низкомолекулярных веществ в водной среде с коэффициентом Б ~10-5 см2/с на расстояние 1 см потребовалось бы около 14 ч, что намного превосходит характерное время формирования гетерогенного распределения фотосинтеза (~10 мин). Очевидно, что диффузия сама по себе не может обеспечить пространственную интеграцию метаболизма гигантских клеток, длина которых у харофитов достигает 10 см и более. Так, для переноса малых молекул на расстояние клеточной длины потребовался бы период около трех месяцев [12]. Очевидно, что для жизнедеятельности таких клеток необходимы более оперативные способы внутриклеточного сообщения.
Микрофлуориметрия клеток харовых водорослей с использованием насыщающих световых импульсов и электродных микрометодов выявила три фактора дистанционной регуляции, участвующих в функциональной координации клеточных доменов и передаче сигналов на дальние расстояния. К этим факторам относятся: 1) протекание круговых электрических токов между функционально различными зонами клетки, 2) проведение по клетке потенциала действия и 3) непрерывное круговое движение цитоплазмы со скоростью до 100 мкм/с.
РОЛЬ КРУГОВЫХ ТОКОВ В ПРОСТРАНСТВЕННОЙ КООРДИНАЦИИ АКТИВНОСТИ ФОТОСИНТЕЗА
Протекание круговых электрических токов, сопряженных с трансмембранным переносом Н+ через функционально различные участки плаз-малеммы, аналогично циркуляции протонов в энергосопрягающих мембранах хлоропластов, митохондрий и бактериальных клеток. Существенное отличие состоит в том, что область цир-
куляции тока в гигантских клетках расширяется от микронного и субмикронного уровня до макроскопических (миллиметровых) размеров. Циркуляция токов в интернодальных клетках между участками, разнесенными на расстояния нескольких миллиметров, выявляется с помощью вибрирующих микроэлектродов. Токи, протекающие в наружном растворе у поверхности клетки, создают падение напряжения в слое среды толщиной ~30 мкм, знак и амплитуда которого определяются направлением и плотностью тока в каждой точке исследуемого пространства [13, 14]. Таким способом были картированы пути распространения круговых токов, образующие сложную паутиноподобную сеть с узлами и дугами вокруг отдельных сегментов клетки. Условие непрерывности тока означает, что локальные нарушения в отдельных участках сети могут вызвать ответные изменения связанной с этим током активности на значительном удалении от места воздействия.
Генератором круговых токов служит Н+-АТРаза плазматических мембран, выводящая протоны из цитоплазмы в наружную среду [15]. Вследствие этого рН у поверхности клетки (рН0) в зонах с активной Н+-АТРазой понижен примерно на 0,5—0,6 единиц по сравнению с рН 7,0—7,2 в объеме экспериментального раствора. Об участии Н+-АТРазы в подкислении наружной среды говорит совместная локализация флуоресцентно меченых антител к пептидам Н+-АТРазы и флуоресцентных зондов, выявляющих области с низким рН в кортикальных слоях цитоплазмы (инвагинации плазмалеммы — харасомы) [16]. Об этом же свидетельствует значительное понижение рН0 в зонах наружного подкисления при активации Н+-АТРазы регулятором роста фузи-кокцином [17]. Перенос тока в объеме наружной среды обусловлен движением С1- и других ионов, концентрация которых в среде на несколько порядков выше, чем концентрация Н+.
Круговые токи сходятся к узким зонам с высоким наружным рН (рН 9,5—10,0), где плотность входящего тока составляет ~50 мкА/см2 [14]. Известно, что при повышении рН среды до значений, типичных для щелочных зон, проводимость плазмалеммы возрастает в 5—8 раз за счет повышения пассивной проводимости для Н+ или ОН-, а мембранный потенциал приближается к равновесному Н+-потенциалу, рассчитанному по уравнению Нернста [18, 19]. Циркуляция тока со стадиями активного выведения и пассивного поступления Н+ в разных частях клетки означает, что энергия электрохимического градиента протонов, создаваемого Н+-АТРазой плазмалеммы, используется не только для накопления элементов минерального питания и
выведения избытка Na+ из цитоплазмы, но и для других целей, включая обеспечение клетки проникающим субстратом фотосинтеза (СО2) и регуляцию pH цитоплазмы.
Локально высокая проводимость плазма-леммы в зонах пассивного поступления H+ из среды в цитоплазму или выведения ОН- из цитоплазмы в среду деполяризует мембрану, что стимулирует работу Н+-насоса. Благодаря понижению pH в зонах с высокой активностью Н+-насоса до уровня ~рК угольной кислоты (6,35) непроникающая заряженная форма неорганического углерода (НСО-), преобладающая в слабощелочной среде обитания, переходит в нейтральную форму (СО2), свободно проникающую через мембраны. Таким образом, одна из важных функций круговых токов заключается в обеспечении клетки проникающим субстратом фотосинтеза. Отсутствие субстратных ограничений для фиксации СО2 в области локализации кислых зон объясняет высокую скорость линейного потока электронов в хлоропластах, лежащих под этими зонами [8].
Хлоропласты, расположенные в зонах наружного защелачивания, испытывают нехватку СО2. Возникающий дисбаланс между количеством поглощаемой световой энергии и ограниченными возможностями фиксации СО2 приводит к включению защитного механизма (нефотохимическое тушение, NPQ), при котором возрастает доля возбужденных состояний, уходящих в тепло. Этот механизм связан с повышением градиента pH в тилакоидах и подавлением фотофосфорилирования при снижении потребления ATP в реакциях цикла Бенсона-Кальви-на. Возрастание тепловых потерь в хлороплас-тах, лежащих под ще
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.