= ОБЗОР
581.1
Посвящается светлой памяти академика Андрея Львовича Курсанова, который не только первым оценил значимость изопренового эффекта, но и во многом способствовал доведению этого открытия до научной ясности
БИОГЕННЫЙ ИЗОПРЕН
© 2004 г. Г. А. Санадзе
Проблемная лаборатория фотосинтеза Тбилисского государственного университета,
Академия наук Грузии, Тбилиси Поступила в редакцию 14.01.2004 г.
Биогенный изопрен был открыт в составе летучих выделений листьев растений в 50-х годах прошлого столетия. У видов растений, выделяющих изопрен на свету, этот процесс оказался метаболически тесно связанным с фотосинтезом. Так было открыто фотобиологическое явление, названное "изопреновым эффектом" (ИЭ). Впоследствии выяснилось, что листья способны выделять изопрен и в темноте, однако, со скоростью примерно на два порядка ниже, чем на свету. В настоящее время уже известно, что изопреновый эффект демонстрируют не все виды различных таксономических групп растений, тогда как темновое выделение изопрена характерно для клеток всего живого мира. В работе дается краткий исторический очерк развития исследований ИЭ. Подчеркивается особая роль света как источника энергии и С02 как источника углерода, в совокупности создающих энергопластический поток, пронизывающий зеленую фотосинтезирующую клетку. Существующие данные позволяют рассматривать ИЭ как проявление экскреторной функции листа. Сделана попытка описать ИЭ в свете представлений термодинамики неравновесных процессов. Показано, что клетка представляет собой диссипативную структуру, организованность и устойчивость которой обеспечивается сильно неравновесными, необратимыми процессами. В целом, ИЭ рассматривается как результат регуляции превращения углерода и свободной энергии в цепи фотосинтетических реакций в условиях стресса, вызванного дефицитом С02 внутри освещенной автотрофной клетки. Этот стресс приводит к генерации избыточной, по отношению к возможностям ее использования, энергии, необходимость сброса которой диктуется тем, что живая клетка является диссипативной структурой.
Биогенный изопрен - изопреновый эффект - альтернативные пути биосинтеза диметилалилпи-рофосфата - летучие органические вещества - мевалоновая кислота - дезоксиксилулозо-5-фос-фат - диссипативные структуры
ФИЗИОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ, 2004, том 51, № 6, с. 810-824
УДК
Изопрен (2-метил-1,3-бутадиен) был впервые обнаружен в качестве продукта клеточного метаболизма в середине 50-х годов прошлого столетия в Отделе анатомии и физиологии растений Института ботаники Академии наук Грузии [1-5]. Вначале он был найден в летучих выделениях листьев акации (Robinia pseudoacasia L.) [2], затем тополя (Populus nigra L.), ивы (Salix alba L.), дуба (Quercus ibérica Stev.), самшита (Buxcus sempervirens L.) и других видов растений. Одновременно
Сокращения: ИЭ - изопреновый эффект, МЭП - метилэри-тритолпирофосфатный путь, УКП - углекислотный компенсационный пункт, ЦГ - циклогексимид, ЭТЦ - электрон-транспортная цепь.
Адрес для корреспонденции: Санадзе Гиви Александрович. Грузия, 380008 Тбилиси-8, просп. Руставели, 52. Академия наук Грузии. Электронная почта: guivis@complexpro.com
было установлено, что биосинтез изопрена и его экскреция из листьев является светозависимым процессом. Так было открыто новое фотобиологическое явление - "изопреновый эффект" (ИЭ) [3, 6-9]. Позже выяснилось, что светозависимый биосинтез изопрена тесно коррелирует с изменением парциального давления С02 в атмосфере внутри экспериментальной стеклянной камеры, в которую обычно помещали лист исследуемого растения [7].
Все это вместе взятое уже тогда позволило заключить, что установлено по крайней мере три новых научных факта:
1) изопрен, в качестве индивидуального химического соединения, может синтезироваться клетками растений. Предшествующий полувековой период безуспешного поиска "свободного" биогенного изопрена и формирование биохимии
полимеров - полипренов (в том числе полиизо-преноидов), казалось, окончательно склонили ученых к мнению, что клетка не способна синтезировать "свободный" изопрен, а пятиуглеродная разветвленная структура дивинила, предшественником которой является изопентенилпирофос-фат (маскированный изопрен), или, как далее было установлено нами, его изомер - диметилалил-пирофосфат [10], в живой природе может существовать лишь в виде мономера в составе широко распространенных биополимеров - полипренов (каротиноидов, терпеноидов,стероидов и их производных), играющих важнейшую роль в метаболизме клетки;
2) для интенсивного выделения изопрена необходимо освещение листа. Впоследствии выяснилось, что изопрен может синтезироваться и без участия света, как автотрофными клетками листа, так и гетеротрофными клетками микроорганизмов, растений, животных и человека [11]. Однако скорость "темнового" образования изопрена на один-два порядка ниже, чем при ИЭ [8]. Поэтому в настоящее время использование термина ИЭ весьма удобно для обозначения биосинтеза изопрена именно освещенной фотосинтези-рующей клеткой;
3) была выявлена экскреторная функция у фотосинтезирующих листьев растений [1, 12]. Инициированное светом усиление выделения летучих органических веществ, в том числе углеводородов [1, 12] и, в частности, изопрена [2] по существу представляет собой процесс выброса листом растения экскретов, т.е. отходов обмена веществ, за пределы метаболических пулов клетки и, в конечном счете за пределы анатомических структур листа.
С функциональной точки зрения экскреты представляют собой чрезвычайно важную группу веществ. Являясь конечным продуктом метаболизма, они в то же время лишены характерной для конечных продуктов отрицательной обратной связи с метаболизмом клетки. Очевидно, что утрата экскретами этой отрицательной обратной связи происходит вследствие того, что экскреты либо беспрепятственно покидают цито-золь, либо "выталкиваются" из нее по той причине, что растворимость в клеточной среде некоторых из них, в том числе изопрена, равна нулю. Кроме того, в свете современных термодинамических представлений [13, 14] экскреторную функцию следует рассматривать как терминальную часть потоков, которые в целом составляют и координируют метаболическую активность клетки, являющейся сильно неравновесной термодинамической системой. По нашему глубокому убеждению, дальнейшее изучение проблемы биосинтеза и выделения изопрена - явления, лежащего на магистральном пути самоорганизации
живых структур, может успешно развиваться только в контексте современной термодинамики, предлагаемой известным ученым И. Пригожи-ным и его школой.
Изучение условий биосинтеза изопрена и совокупности реакций, связанных с ИЭ, которое проводится вот уже более сорока лет, можно условно разделить на три основных периода.
ПЕРВЫЙ ПЕРИОД ИССЛЕДОВАНИЙ (1956-1970 гг.)
В этот отрезок времени исследованием ИЭ занималась только небольшая группа ученых в Институте ботаники АН ГССР, которой руководил автор настоящей статьи. Именно в этот период были изучены почти все основные феноменологические параметры ИЭ и намечены дальнейшие пути его исследования.
Опыты, которые привели нас к открытию ИЭ, были начаты в 1954 г. и касались изучения газовыделительной деятельности листьев некоторых видов растений в свете аллелопатии. Этим термином известный австрийский ученый Н. МоИвИ [15] обозначил явление химического взаимодействия между растениями в ценозах. Цель наших исследований заключалась в установлении химической природы летучих органических веществ, выделяемых листом во внешнюю среду. Именно в этих исследованиях [1-6, 12] было показано, что листья некоторых видов растений на свету выделяют углеводороды, в том числе изопрен, количество которого значительно превосходило выброс всех остальных углеводородов.
Идентификация химической природы диена С5Н8, выделяемого листьями, показала, что 2-ме-тил-1.3-бутадиен является единственным изомером среди диенов С5Н8, который продуцируется фотосинтезирующими клетками мезофилла изо-прен-выделяющих листьев [2-8, 12]. В 1970 г. Яаввтшеп [16] подтвердил наши результаты по масс-спектрометрической идентификации изопрена. Вместе с тем приводимые в работе [16] масс-спектрограммы вызывали некоторые сомнения относительно однозначности идентификации фитоизопрена, в результате чего нами было проведено дополнительное исследование с помощью ядерно-магнитного резонанса [17], которое подтвердило наши прежние выводы.
К этому времени были также изучены факторы, в той или иной мере лимитирующие процесс образования и выделения изопрена.
Свет. Значительное количественное преобладание изопрена в летучих фитогенных выделениях тесно коррелировало с наличием света. Исходя из этого, вектор исследований был, в первую очередь, направлен на сравнительное изучение фотосинтетических превращений и ИЭ. Под фотосин-
тетическими превращениями подразумевали совокупность окислительно-восстановительных процессов, протекающих при участии света, и в целом, приводящих к повышению свободной энергии и восстановительного потенциала клетки, и прежде всего хлоропласта. Все это уже тогда позволило предположить, что ИЭ и превращение световой энергии при фотосинтезе тесно связаны между собой, или, другими словами, ИЭ облигатно зависит от функционирования фотосинтетического аппарата. Было показано, что световое насыщение интенсивности экскреции изопрена наступает при освещенностях около 10-15 х 103 лк [18]. Этот факт указывал на то, что изопрен de novo образуется в результате фотобиохимических превращений, протекающих в освещенном листе, и не является следствием фотоокисления полипренов листа. Последнее не было бы неожиданным, поскольку опыты проводились в камере при пониженных, не насыщающих фотосинтез концентрациях С02. Таким образом, было установлено, что фотобиосинтез изопрена не является результатом фотоокисления, которое продолжает усиливаться с увеличением освещенности листа далеко за пределами светового насыщения фотосинтеза [19-22]. Изучение зависимости скорости ИЭ от степени открытости устьиц показало, что в случае ИЭ, в отличие от транспирации и фотосинтеза, прямая зависимость между этими п
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.