БИОФИЗИКА, 2011, том 56, вып. 5, с. 800-812
=МОЛЕКУЛЯР НАЯ И КЛЕТОЧНАЯ БИОФИЗИКА НАНОТЕХНОЛОГИИ in vivo
УДК 577.3
РОЛЬ ИОНОВ КАЛЬЦИЯ В ПРОЦЕССАХ ФОТОСИГНАЛИЗАЦИИ В РАСТИТЕЛЬНОЙ КЛЕТКЕ
© 2011 г. И. Д. Волотовский
Институт биофизики и клеточной инженерии, Национальная академия наук Беларуси, 22007, Минск, Беларусь
E-mail: volot@basnet.by Поступила в p едакцию 18.05.11 г.
Обзор посвящен Ca2+ - важному структурному и функциональному компоненту растительных клеток. Важной особенностью функционирования ионов кальция в растительной клетке является выполнение ими роли вторичного медиатора в сигнальных процессах, индуцированных действием абиотических и биотических сигналов, включая свет. Структурная основа кальциевой сигнализации в растении, механизмы генерации кальциевых сигнатур и природа кальциевых сенсоров рассматриваются в связи с функционированием в клетке фоторецепторов фитохромов, криптохромов и фитотропинов. Специальное внимание уделяется генетическим факторам контроля экспрессии свето-индуцибельных генов, тесно взаимодействующих с указанными фоторецепторами. Проведен анализ последних достижений в области понимания процессов трансдукции фоторецепторных сигналов в клетке и предпринята попытка предсказать развитие исследований в данной области в ближайшем будущем.
Ключевые слова: ионы кальция, внкутриклеточная сигнализация, фитохромы, криптохромы, фототропины.
Растения находятся под постоянным влиянием окружающей ср еды и р еагируют на действия ее абиотических и биотических факторов изменением своего метаболического и физиологического статуса. Ионы кальция являются ключевым компонентом любого живого организма [1]. Са2+ участвует практически во всех процессах, лежащих в основе функционирования растения, его роста, развития и регуляции [2]. Как структурный компонент Са2+ выполняет важную роль в формировании клеточной стенки и клеточных мембран, как противоион участвует в процессах ионного транспорта. Прямо или косвенно Са2+ контролирует активность многих ферментов. Д ругой немаловажной функцией Са2+ являются его сигнальные свойства: участие в процессах внутр иклеточной сигнализации. Это означает, что Са2+ выполняет роль вторичного медиатора, переносчика информации, находясь, таким образом, между рецеп-торной и реактивной частями различных сигнальных систем клетки.
Сокращения: СаМ - кальмодулин, CBds - кальцинейрин-подобный белок, СДРК s - Са-зависимые протеинкиназа, СаМРКs - СаМ-зависимые протеинкиназы, К - красный свет, ДК - дальний красный свет, Сгу - криптохромы, Phot - фототропин.
Специфической особенностью всего ионного пула растительной клетки является низкая (субмикр омолярная) концентрация свободного ионизированного Са2+ в цитоплазме и его высокая (миллимолярная) концентр ация во внутриклеточных мембранных компартментах, прежде всего в вакуоли и внешнем пространстве апопласта. Следовательно, в растительной клетке на биологических мембранах существуют очень большие кальциевые концентрационные градиенты. Внешние стимулы, воздействующие на клетку, откр ывают С а 2+-каналы, вызывают в цитоплазме клетки Са2+-потоки, характеризующиеся пространственной и временной динамикой, локализацией, амплитудой, частотой и характер ом распространения. Данные пер е-ходные состояния р ассматр иваются в качестве универсального способа кодирования сигналов, входящих в клетку [3].
Среди абиотических факторов среды, под влиянием которых находится растение, свет, как мощный регуляторный фактор, занимает особое место, определяя рост растения, его развитие и дифференцировку.
П рогр есс в понимании р оли С а2+ в растительной клетке был связан с разработкой различных информативных методических подхо-дов, позволяющих проводить прямые измерения концентрации Са2+ в цитозоле, а именно, при-
менением кальций-селективных микроэлектодов и Са2+-чувствительных флуоресцентных зондов, использованием трансгенных р астений, экспр ес-сирующих апопр отеин Са2+-фотобелка эквори-на, «хамелеонной» техники, биобаллистической доставки флуоресцентных зондов.
Са 2+-ГОМЕОСТАЗ В РАСТИТЕЛЬНОЙ КЛЕТКЕ
Ионы кальция распределены в растительной клетке неравномерно. Во внутриклеточных кальциевых депо концентрация свободного ионизированного Са2+ находится в миллимо-лярном диапазоне концентраций: в вакуоли -до 10 мМ, эндоплазматическом ретикулуме -до 50 мкМ, митохондриях и хлоропластах -2-5 мкМ и апопласте - до 10 мМ [4]. В цитоплазме и нуклеоплазме, наоборот, она, как и у всех эукариотов, порядка 200 нМ. Данный перепад концентраций С а2+ имеет важное физиологическое значение. Под влиянием абиотических и биотических факторов происходит вброс Са2+ из апопласта и депо в цитоплазму клетки. Он является следствием открытия Са2+-каналов, через котор ые ионы Са2+ по концентрационному градиенту перемещаются из ком-партментов с более высокой в компартменты с более низкой концентрацией иона. За одну секунду через одиночный канал в цитоплазму входит до 10б ионов Са2+. Константы диссо-циации белковых С а2+-мишеней превышают 0,1 мкМ и при равновесном состоянии клетки центры связывания Са2+ в молекулах мишеней свободны. На фоне исчезающе низких концентра -ций ионизир ованного Са2+ любые, даже незначительные количества иона, выброшенные в цитоплазму, могут взаимодействовать со специфическими мишенями и запускать внутриклеточные события, заканчивающиеся биологическим эффектом. Все эти события переходные (уже через 50 мкс Са2+ или связывается или буферируется органеллами) и в конце концов завершаются возвращением клетки в исходное равновесное по Са2+ состояние. Возврат Са2+ в депо - энергозависимый процесс, так как при этом транспорт Са2+ осуществляется против концентрационного градиента иона. Иными словами, в растительной клетке функционирует динамическая система кальциевого гомеостаза, она поддерживается энергией АТФ и реализуется набором кальций-транспорти-рующих систем, входящими в состав клеточных мембран. Детальную информацию по данному вопросу можно найти в ряде обзоров [3-6].
Са2+-ТРАН СПОРТИ РУЮЩИЕ СИ СТЕМЫ РАСТИТЕЛЬНОЙ КЛЕТКИ
Са2+-АТФазы. Са2+-АТФазы ответственны за транспор т ионов Са2+ против градиента концентрации иона: выкачивание Са2+ из цитоплазмы во внеклеточное пространство или закачивание его во внутриклеточные кальциевые депо. Тем самым поддерживается свойственное растительной клетке неравновесное распределение Са2+ между ее компартментами [5,7].
К роме того, АТФазы быстро восстанавливают исходную низкую концентрацию цито-плазматического Са2+ после его сигнального выброса в цитоплазму из внутриклеточного(ых) депо и подготавливают клетку к формированию нового С а 2+-сигнала. Са2+-АТФазы входят в состав плазматической мебраны, тонопласта и эндоплазматического ретикулума. Эти ферменты относятся к представителям Р-типа IIA и Р-типа IIB АТФаз [7,8], различающихся между собой по структуре. Так, тип II B содержит N-тер минальный авторегулятор ный домен, отсутствующий у типа IIA. К другим транспортным системам, отвечающим за удаление избытка Са2+ в цитоплазме, относятся переносчики Са2+, котраспортеры и антипортеры. В митохондриях, вакуоли и хлоропластах обнаружены С а2+/Н+-антипортер ы [9,10], функционирующие в тесном взаимодействии с Н+-АТФазой, ответственной, например, за ацидификацию внутреннего содержимого вакуоли. Стехиометрия С а2+/Н+-обмена составляет обычно величину 3 [11]. У ар абидопсиса данные обменники кодируются шестью генами.
Са2+-каналы. Са2+-каналы переходят в открытое состояние в ответ на действие различных стимулов, таких, как изменение мембранного потенциала (потенциал-зависимые каналы), механические воздействия (механочувстви-тельные каналы), инозитол-1,4,5-трифосфат (инозитол-зависимые каналы). Са2+-каналы плазматической мембраны подразделяются на три класса: активируемые деполяризацией, активируемые гиперполяризацией и потенциал-независимые (в реальности они характер изуют-ся очень низкой потенциал-зависимостью) [12]. Указанные каналы характер изуются определенным значением мембранного потенциала, при котором они находятся в откр ытом состоянии.
Первый тип каналов контролируется цито-скелетом. Втор ой, нар яду с С а2+, проницаем для многих дивалентных ионов [13]. Именно Са2+-каналам отводится ключевая роль в закрывании устьиц. Третий тип каналов проницаем также и для моновалентых катионов [14].
В тонопласте идентифицировано несколько типов Са2+-каналов. Два типа потенциал-зависимых каналов активируются гиперполяризацией и деполяризацией (медленные каналы). Эти каналы не обладают абсолютной специфичностью, через них проходят также М§2+, К+, а через медленные каналы - Ка+, ИЪ+, С8+. Активированное состояние медленных каналов контролируется также кальмодулином, М§2+, протеинкиназами, регуляторными белками 143-3 [15]. Из двух активируемых гиперполяризацией каналов пер вый ингибируется С а2+ при концентрации выше 1 мкМ, а второй стимулируется вакуоляр ным С а 2+ и р Н. Два других С а2+-канала, входящие в со став тонопласта, активируются инозитол-1,4,5-трифосфатом, циклической аденозиндифосфатрибозой [16]. В со -став мембраны эндоплазматического ретикулу-ма кроме инозитол-1,4,5-трифосфат- и циклическая аденозиндифосфатрибоза-зависимых каналов входит еще один канал, контролируемый никотинамидадениндинуклеотидфосфатом [17]. С ледует отметить, что для большинства канальных белков идентифицированы, клонированы и секвенированы соответствующие гены.
ЦИТОЗОЛЬНЫЕ КАЛЬЦИЕВЫЕ СИГНАЛЫ
Общепринято, что концентрация ионизированного С а2+ в цитоплазме клетки увеличивается в ответ на действие р азличных стимулов, поступающих из внешней среды. Этот ответ является уникальным по своим параметр ам, а именно внутриклеточной локализации, кинетике проявления, амплитуде и времени жизни [18,19]. Общепринято также, что данный [Са2+]су1-ответ формируется благодаря работе сложного внутриклеточного механизма [20]. С а2+ поступает в цитоплазму через С а 2+-каналы, расположенные в различных частях клетки, что и определяет пространственные характеристики изменений [Са2+]су1. Пока канал открыт, имеют место и локальные изменения [Са2+]су1. После закрытия канала и
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.