УСПЕХИ СОВРЕМЕННОЙ БИОЛОГИИ, 2012, том 132, № 1, с. 36-50
УДК 577.352; 581.9; 582.4
РЕГУЛИРУЕМОЕ РУСЛО ДЛЯ ДИФФУЗИИ МЕЖДУ ВАКУОЛЯМИ СОСЕДНИХ КЛЕТОК: ВАКУОЛЯРНЫЙ СИМПЛАСТ
© 2012 г. Г. А. Великанов, В. Ю. Леванов, Л. П. Белова, А. А. Пономарева, Т. М. Ильина
Казанский институт биохимии и биофизики КазНЦ РАН, Казань Е-таИ:увНкапоу@таИ.кпс.ги
Обсуждается вопрос существования в растительной ткани непрерывного трансклеточного объединения внутриполостных пространств эндоплазматических ретикулумов (ЭР) и центральных вакуолей соседних клеток в единую систему (вакуолярный симпласт), содержащую внутри пластиды и митохондрии. На базе оригинальных экспериментальных данных, полученных методами ЯМР-диффузометрии и электронной микроскопии, предложена модель устройства вакуолярного сим-пласта, основанная на транспортно-распределительной функции внутриполостного пространства ЭР и способности мембраны ЭР формировать близкие контакты с другими мембранами внутри клетки, для которых предварительно установлена качественная аналогия с высокопроницаемыми межклеточными контактами у животных.
Ключевые слова: эндоплазматический ретикулум, внутриполостное пространство, транспорт и распределение ассимилятов, метаболические процессы, межвакуолярная связь, вакуолярный сим-пласт.
В работах [3, 5, 6, 7] изучали особенности ограниченной диффузии молекул воды в корнях проростков кукурузы (в направлении, параллельном радиальному сечению корня) методом спинового эха ЯМР с импульсным градиентом магнитного поля. В предельно лаконичной форме суть ЯМР-эксперимента и полученный в этих работах результат можно сформулировать так. В начальный момент времени пространственная картина общего диффузионного "ансамбля" молекул тканевой воды была зафиксирована ("сфотографирована") импульсом градиента магнитного поля. Было установлено, что к окончанию времени наблюдения за диффузионным процессом (ко времени подачи второго фиксирующего импульса) часть молекул "ансамбля" продиффундировала в поперечном направлении корня на расстояния, превышающие поперечные размеры клеток, находясь и оставаясь в течение всего времени наблюдения в составе вакуолярной (медленно релаксирую-щей) фракции исходного "ансамбля". Другими словами, было установлено, что часть молекул воды, исходно локализованных в центральных вакуолях клеток, могла свободно продиффунди-ровать в вакуоли соседних клеток, не выходя из вакуоли в другие компартменты клетки, т.е. была выявлена трансклеточная непрерывность ва-куолярного компартмента - некий вакуолярный
симпласт. Этот результат оказался созвучным с основанным на гипотезе эндосимбиогенеза представлением Гамалея [9, 10] об эндопласте (рис. 1), как непрерывном трансклеточном объединении внутриполостного пространства эн-доплазматических ретикулумов и центральных вакуолей соседних клеток в единую систему, содержащую внутри себя пластиды и митохондрии. На основе такого представления в настоящее время развивается новое оригинальное направление в изучении транспортной системы высших растений, апробированное громадным количеством фактического материала, полученного при изучении более 2500 видов растений [9-11, 14]. Концепция эндопласта позволяет избежать многих трудностей, связанных с механизмами транспорта и распределения ассимилятов. Однако в классических представлениях центральная вакуоль растительных клеток является замкнутым внутриклеточным компартментом, а основные органоиды структурно никак не связаны между собой.
На сегодняшний день среди исследователей формируется единое мнение о том, что десмотру-бочка, проходящая по центру поперечного сечения плазмодесм, способна напрямую объединять внутриполостные пространства эндоплазматических ретикулумов (ЭР) соседних клеток.
В такой ситуации отмеченный выше результат ЯМР-исследований можно перефразировать так: между внутренним пространством центральных вакуолей и внутриполостным пространством ЭР существует какое-то русло для свободной диффузии.
Задачи настоящей статьи - обобщить полученные нами в последнее время экспериментальные данные о природе выявляемого методом ЯМР и прогнозируемого исследованиями Гамалея русла для свободной диффузии между вакуолями соседних клеток; обсудить оригинальные данные, подтверждающие гипотезу о локализации пластид во внутриполостном пространстве эндоплазматического ретикулума; представить новую модель (схему) устройства эндопласта. Однако вместо термина эндопласт, введенного Гамалеем, в этой статье мы будем использовать термин вакуолярный симпласт. Во-первых, потому что приставка эндо подразумевает внутриклеточную, а не надклеточную (трансклеточную) локализацию этого континуума, а во-вторых, пожелание о применении термина симпласт и к эндопласту, "но обязательно с расшифровкой его вакуолярной, а не цитоплазматической природы", руководствуясь некоторыми дополнительными соображениями, сделал сам автор представления об эндопласте -Ю.В. Гамалей [13, с. 7].
Уже в первом исследовании методом ЯМР было установлено, что водопроницаемость ва-куолярного симпласта блокировалась ингибитором дыхания - азидом натрия [5]. Это позволило предположить, что русло для свободной диффузии между вакуолями соседних клеток может регулироваться (управляться) и другими метаболическими процессами. Поэтому в качестве первоочередной задачи нам представлялось полезным расширить перечень таких процессов.
Рис. 1. Модель эндопласта по Гамалею [10]; ЭС - эндоплаз-матическая сеть, П - пластида, Ц - цитоплазма, А - апопласт, В - центральная вакуоль, М - митохондрия, КО - клеточная оболочка, Пд - плазмодесма.
ИЗМЕНЕНИЯ ВОДОПРОНИЦАЕМОСТИ ВАКУОЛЯРНОГО СИМПЛАСТА ПОД ВЛИЯНИЕМ ЭКЗОГЕННЫХ ИНГИБИТОРОВ ОСНОВНЫХ ПРОЦЕССОВ КЛЕТОЧНОГО МЕТАБОЛИЗМА: ВЫДВИЖЕНИЕ ГИПОТЕЗЫ О СУЩЕСТВОВАНИИ ВЫСОКОПРОНИЦАЕМОГО КОНТАКТА МЕМБРАНЫ ЭНДОПЛАЗМАТИЧЕСКОГО РЕТИКУЛУМА С ТОНОПЛАСТОМ
Объектом для соответствующих исследований служили корни четырехдневных этиолированных проростков кукурузы (Zea mays L.). Семена вымачивали в течение 8 ч под проточной водой, затем помещали в увлажненную, свернутую рулоном фильтровальную бумагу и выращивали в термостате при 25 °С на дистиллированной воде с добавкой 250 мкМ CaCl2. Для исследования брали сегменты корня из зоны всасывания длиной 8 мм, которые подвергали воздействию растворов физиологически активных веществ (реактивов) сразу после отсечения сегментов от целых проростков. Во время воздействия обеспечивали аэрацию (на качалке) как опытного, так и соответствующего контрольного вариантов. Далее сегменты корней помещали в датчик ЯМР-диффузометра так, что градиент магнитного поля был направлен параллельно радиусу корня, что позволяло регистрировать диффузию воды в этом направлении.
Об изменениях водопроницаемости вакуоляр-ного симпласта после воздействия физиологически активных веществ судили по изменениям эффективного коэффициента самодиффузии (КСД), вычисленного по наклону начального участка диффузионного затухания спинового эха при значениях времени наблюдения диффузии 1000 мс. Соответствующая методика подробно описана в работах [3, 5, 6, 7, 46]. Вычисляли величину отношения эффективных КСД в опытном и контрольном вариантах. Если такое отношение было меньше 100%, это означало, что водопроницаемость вакуолярного симпласта уменьшалась, если больше - увеличивалась. Регистрацию осуществляли при 25 оС.
Использованные реактивы и их дозы: цитоха-лазин В (50 мкМ, 1 ч), 2,3-бутандионмоноксим (ВДМ) - 10 мМ, 1 ч, 2,4-динитрофенол (ДНФ) -0,2 мМ, 1 ч, хлорпромазин (0,1 мМ, 15 мин), тол-бутамид (0,1 мМ, 1 ч), все производства "Sigma", США; а также антимицин А (10 мкМ, 1 ч), оли-гомицин (10 мг/л, 1 ч), азид натрия (10 мМ, 30 мин) и циклогексимид (50 мкМ, 1 ч) производства "Serva", США; ротенон (10 мкМ, 1 ч) производ-
Аэфф. ОПЫТ ^эфф. КОНТ> 120
Рот Ант О лито Азид ЦХБ Б ДМ ЦТ
Рис. 2. Относительные значения эффективного коэффициента самодиффузии воды по вакуолярному симпласту под влиянием ингибиторов; Рот - ротенон, Ант - антимицин А, Олиго - олигомицин, Азид - азид натрия, ЦХ Б - цитохала-зин В, БДМ - 2,3-бутандионмоноксим, ЦГ - циклогексимид, К - контроль (без воздействия).
ства "Ferak", ФРГ, растительные гормоны ИУК (0,1 мкМ, 1 ч) и гиббереллин (10 пМ, 1 ч) производства "Sigma", США .
Внутри плазмодесм, структура которых хорошо изучена, расположена трубочка эндоплазматиче-ской сети (десмотрубочка), окруженная актомио-зиновыми белками. Вполне вероятна сфинктерная (механическая, сжимающая) функция этих белков по отношению к просвету в десмотрубочке. Для верификации модели вакуолярного симпласта с АТФ-зависимым сфинктером плазмодесм в качестве звена, регулирующего водопроницаемость этого симпласта, в соответствующих ЯМР-исследо-ваниях мы применили ингибитор полимеризации актина - цитохалазин В и ингибитор АТФ-азной активности макромолекул миозина - 2,3-бутандионмоноксим (БДМ). Эффект любого из этих двух ингибиторов оказался не столь существенным, как эффект ингибиторов дыхания (рис. 2). Есть некая уверенность в том, что оба ингибитора цитоскелета в наших опытах работали в полном соответствии с приписываемыми им функциями, поскольку в примененных нами дозах БДМ останавливал ротационное движение цитоплазмы, а цитохалазин приводил к снижению количества сфинктерного материала внутри цитоплазматиче-ского кольца плазмодесм [49]. Деструкция сфинктера (цитохалазином) при существовании внутри десмотрубочки избыточного гидростатического давления (тургора) должна приводить к большей
ее открытости, однако в эксперименте наблюдается уменьшение водопроницаемости вакуоляр-ного симпласта. Не все понятно и с эффектами БДМ. "Для функционирования плазмодесм важен баланс сил: (1) давление внутри эндоплазматиче-ской трубки; (2) сопротивление актомиозинового кольца ее расширению" [10]. При блокировании АТФ-азной (сжимающей) активности сфинктера с помощью БДМ водопроницаемость вакуоляр-ного симпласта должна возрастать. Наблюдается противоположный эффект (рис. 2). Из-за этого можно думать, что актомиозиновые белки в плаз-модесмах работают наоборот, т.е. работают на увеличение просвета десмотрубочки. Но в таком случае не очень
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.