БИОЛОГИЧЕСКИЕ МЕМБРАНЫ, 2008, том 25, № 3, с. 163-172
== ОБЗОРЫ =
УДК 581.132.1
ЛЮТЕИН-5,6-ЭПОКСИДНЫЙ ЦИКЛ - НОВЫЙ КСАНТОФИЛЛОВЫЙ ЦИКЛ В ХЛОРОПЛАСТАХ РАСТЕНИЙ
© 2008 г. В. Г. Ладыгин
Институт фундаментальных проблем биологии РАН, 142290 Пущино Московской обл;
электронная почта: ladyginv@rambler.ru Поступила в редакцию 09.03.2007 г.
После доработки 27.11.2007 г.
Проанализированы опубликованные данные и приведена общая характеристика недавно обнаруженного у высших растений лютеин-5,6-эпоксидного цикла. Рассмотрена локализация этого цикла в мембранах хлоропластов и его функционирование в зависимости от интенсивности света в сравнении с широко распространенным и хорошо изученным виолаксантиновым циклом. Предполагается, что в этих циклах могут участвовать либо одни и те же ферменты - виолаксантиновая деэпоксидаза и зеаксантиновая эпоксидаза, либо виолаксантиновая деэпоксидаза и различные зеаксантиновые эпоксидазы - обычная и измененная в результате мутации.
У двух высших паразитических растений - повилики Cuscuta reflexa Roxb. и омелы белой Amyema miquelii Tiegh, в дополнение к виолаксантиновому циклу [1-4], обнаружен ксантофилловый цикл с участием лютеина и лютеин-5,6-эпоксида [5-7]. Дополнительный лютеин-5,6-эпоксидный цикл функционирует параллельно с основным виолаксантиновым циклом, но в нем происходит лишь взаимопревращение лютеин-5,6-эпоксид -—► лю -теин [6]. Предполагается, что два ксантофилловых цикла регулируются сходными механизмами за исключением того, что в лютеин-5,6-эпоксидном цикле реакции эпоксидации происходят несколько медленнее, чем в виолаксантиновом цикле [7-9]. Реакции эпоксидации и деэпоксидации в обоих циклах катализируют зеаксантиновая эпоксидаза, кодируемая геном Zepl, и виолаксантиновая деэпоксидаза, продукт гена Vdel [10, 11].
Лютеин-5,6-эпоксидный цикл встречается только у высших растений, имеющих а-ксанто-филловую цепь биосинтеза каротиноидов из а-ка-ротина, тогда как в виолаксантиновом цикле участвуют ксантофиллы ß-ксантофилловой цепи биосинтеза каротиноидов из ß-каротина (рис. 1). В отличие от лютеин-5,6-эпоксидного цикла виолак-сантиновый цикл функционирует в хлоропластах высших растений, водорослей, а также в клетках дрожжей и грибов [2, 3]. Он не обнаружен в клетках цианобактерий и других фотосинтезирующих бактерий.
Кроме некоторых паразитических растений, лютеин-5,6-эпоксидный цикл найден также в листьях красного дуба Quer cus rubra [9]. Очевидно, что этот цикл не очень широко распространен среди высших растений. Факторы и механизмы, которые определяют наличие или отсутствие лютеин-
5,6-эпоксидного цикла, а также его физиологическое значение, пока мало изучены.
К сожалению, на наличие и динамику изменения содержания лютеин-5,6-эпоксида в фотосинтетических исследованиях почти не обращали внимания. Только недавно показано присутствие и фотопревращение лютеин-5,6-эпоксида в хлоропластах [6-8]. Уровень этого ксантофилла особенно высок в листьях Q. rubra [9], теневые листья которого содержат намного больше лютеин-5,6-эпок-сида, чем листья омелы белой [7], для которой характерно присутствие лютеин-5,6-эпоксидного цикла. Интересно отметить, что теневые листья этих растений накапливают гораздо больше люте-ин-5,6-эпоксида, чем листья растений на ярком свету [7, 9], что предполагает другой механизм функционирования нового цикла, отличный от механизма виолаксантинового цикла.
Задача данной работы состояла в том, чтобы проанализировать данные по биогенезу, локализации и возможной функциональной роли нового лютеин-5,6-эпоксидного цикла в мембранах хлоропластов высших растений и оценить активность основных ферментов этого цикла.
КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ВИОЛАКСАНТИНОВОГО ЦИКЛА
В механизме фотозащиты мембран хлоропластов ключевую роль играют ксантофиллы виолаксантинового цикла. Хорошо известно, что в виолаксантиновом цикле (рис. 2) происходит превращение каротиноидов, локализованных в тилакоидных мембранах хлоропластов растений [4, 11-13]. В условиях избыточного освещения виолаксантин быстро деэпоксидируется до антераксантина и зе-
Ликопин ^-каротин)
Р-циклаза (Crt L-b)
Р-Каротин (Р, Р-Каротин)
I Р-гидроксилаза У (Crt R-b)
Зеаксантин
эпоксидаза (Zep 1)
деэпоксидаза (Vde 1)
Антераксантин
эпоксидаза (Zep 1)
деэпоксидаза (Vde 1)
Виолаксантин
неоксантинсинтаза (Nsy 1)
Неоксантин
Р-циклаза (Crt L-b)
е-циклаза
(Crt L-e)
а-Каротин (Р, е-Каротин) е-гидроксилаза (Crt R-e) Зеиноксантин
Р-гидроксилаза (Crt R-b)
Лютеин
эпоксидаза (Zep 1)
деэпоксидаза (Vde 1)
Лютеин-5, 6-эпоксид
Лютеоксантин
Рис. 1. Схема цепи биосинтеза каротиноидов, показывающая наличие виолаксантинового (а) и лютеин-5,6-эпоксидного (б) циклов с участием зеаксантиновой эпоксидазы (ген 2ер1) и виолаксантиновой деэпоксидазы (ген Уйе!) [2, 5, 14].
а
аксантина с помощью виолаксантиновой деэпоксидазы, кодируемой хлоропластным геном Vdel. Этот фермент локализован в люмене на внутренней стороне мембраны тилакоида [11] и проявляет максимальную активность при рН 5.2. При pH 6.5 и выше виолаксантиновая деэпоксидаза отсоединяется от мембраны тилакоида и теряет активность [11, 14]. В темноте и при слабой интенсивности света зеаксантин превращается в виолаксантин с помощью зеаксантиновой эпоксидазы, которая кодируется геном Zepl. Экспрессия гена Zepl выявлена в листьях Nicotiana plumbaginifolia, Arabidopsis thaliana [15] и в плодах перца Capsicum annuum [16]. Получено доказательство того, что зеаксантиновая эпоксидаза, локализованная на внешней стромальной стороне мембраны тилакоида, максимально активна при рН 7.5 [11, 14]. Полученная с помощью генной инженерии и выделенная из плодов перца зеаксантиновая эпоксидаза участвует в реакциях эпоксидации только с ксантофиллами, содержащими гидроксильную группу у третьего атома углерода С-3 или С-3' Р-иононовых колец, т.е. с Р-криптоксантином, зеаксантином или антераксантином, но не использует как субстрат сам Р-каротин [16]. Мутанты с нарушениями в гене Zepl накапливали большое количество зеаксанти-на, но не могли превращать его в антераксантин и виолаксантин и были дефицитны по неоксантину [15, 17-19]. Эти результаты подтвердили предположение о том, что виолаксантин является прямым предшественником неоксантина. Неоксантиновая синтаза, кодируемая геном Nsyl, катализирует образование как транс-, так и 9'-цмс-неоксантина из виолаксантина. Ген Nsyl идентифицирован лишь недавно [20, 21].
Реакции обратимого взаимопревращения ксантофиллов, производных Р-каротина (виолаксантин -—- антераксантин -—- зе аксантин), и функции виолаксантинового цикла детально описаны в нескольких обзорах [3, 4, 11, 13]. Долгое время считалось, что в хлоропластах водорослей и высших растений существует только один ксантофиллов ый цикл, но з а по следние 10 лет появились убедительные данные, указывающие на возможность существования еще одного ксантофиллового цикла, получившего название лютеин-5,6-эпоксидно-го цикла.
ЛЮТЕИН-5,6-ЭПОКСИДНЫЙ ЦИКЛ
Общая характеристика. В листьях повилики C. reflexa [6] обнаружен новый ксантофилловый цикл, названный лютеин-5,6-эпоксидным циклом (рис. 3). В условиях сильной освещенности лютеин-5,6-эпоксид деэпоксидируется до лютеина без нарушения структурной целостности светособира-ющих комплексов LHC-II (light-harvesting complex II) фотосистемы II.
Известно, что при освещении фотосинтезирую-щих растений избыточным для фотосинтеза светом в хлоропластах, где функционирует виолаксан-тиновый цикл, уменьшается количество виолаксантина, но количество продуктов его деэпоксидации -антераксантина и зеаксантина, увеличивается по сравнению с растениями, выращенными в темноте [4, 11]. Сходная закономерность обнаружена для лютеин-5,6-эпоксидного цикла в клетках C. reflexa. После пребывания в течение 10 мин в условиях сильной освещенности терялось свыше 60% лютеин-5,6-эпоксида [6]. Уменьшение концентрации лютеин-5,6-эпоксида сопровождалось увеличени-
N
И и
н S о
м о в
о
и н н м
се о
м
се U
со
I
и
а $
О U
XI
на
на
,OH
н S о
м о в
о U н в
S н в
te о
м
te
н о н m
OH
на
он
Неоксантин
Рис. 2. Схема цепи биосинтеза в-ксантофиллов и реакций виолаксантинового цикла с указанием ключевых ферментов и условий его функционирования [2-4, 11, 14].
ем концентрации лютеина, точно так же, как потеря виолаксантина сопровождалась появлением продуктов его деэпоксидации - антераксантина и зеаксантина. По всей видимости, у С. твАвха люте-ин, образованный из лютеин-5,6-эпоксида, как и виолаксантин, является продуктом деэпоксидации при избыточном освещении. Следовательно, лю-теин-5,6-эпоксидный цикл - это второй ксанто-филловый цикл, который включает в себя быструю обратимую светозависимую деэпоксидацию в-кольца лютеин-5,6-эпоксида до лютеина (рис. 3).
Учитывая, что в обоих циклах деэпоксидация происходит только в в-кольце, было высказано предположение, что в них участвуют одни и те же ферменты, т.е. виолаксантиновая деэпоксидаза и зеаксантиновая эпоксидаза в обоих случаях осуществляют деэпоксидацию эпоксигрупп в-иононо-вого кольца в С-5,6-положении [3].
Исследования последних лет показали, что лю-теин-5,6-эпоксидный цикл характерен не только для паразитических растений. Известны корневые паразиты Arceuthobium и Phoradendron, которые лишены этого цикла. Кроме того, обнаружение лютеин-5,6-эпоксида в созревающих зеленых плодах томатов Licopersicon esculentum и наличие а-ксантофиллового цикла у Q. rubra [9] указывают на отсутствие прямой связи этого цикла с паразитизмом. Таким образом, очень важный вопрос о физиологическом значении лютеин-5,6-эпоксид-ного цикла пока остается без ответа.
На основании сказанного можно заключить, что лютеин-5,6-эпоксидный цикл, скорее всего, дополняет основной распространенный виолак-сантиновый цикл и включает те же самые реакции эпоксидации и деэпоксидации только Р-кольца, характерные для виолаксантинового цикла, не за-
12 О
И и и
н
S о
м о а н н и м
S н о а
te
м 2
HO
HO*
JOH
Crt R-b
Зеиноксантин
OH
Лютеин
Zepl Слабый свет или темнота
Vdel
Сильный свет
>OH
Лютеин-5,6-эпоксид
Lepl ?
HO
JOH
а Н
н о
м о а н S и м
S н
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.