ФИЗИОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ, 2007, том 54, № 2, с. 165-185
== ОБЗОР =
УДК 581.1
РАЗНООБРАЗИЕ ФОРМ И ФУНКЦИЙ КАРБОАНГИДРАЗЫ ВЫСШИХ НАЗЕМНЫХ РАСТЕНИЙ
© 2007 г. Б. Н. Иванов, Л. К. Игнатова, А. К. Романова
Институт фундаментальных проблем биологии Российской академии наук, Пущино, Московская обл.
Поступила в редакцию 27.04.2006 г.
В обзоре представлены имеющиеся к настоящему времени данные о существовании в наземных высших растениях нескольких форм карбоангидразы, различающихся по свойствам, молекулярной природе и локализации в клетке. Обсуждаются возможные функции этих карбоангидраз и особенности механизмов концентрирования неорганического углерода в фототрофных тканях у растений с С3- и С4-путями фотосинтетического пути углерода.
Наземные фототрофы - фотосинтез - карбоангидраза - молекулярные формы - свойства - система концентрирования С02
ВВЕДЕНИЕ
Основной, если не единственной формой углеродного питания высших наземных растений является СО2 атмосферы (СО2(газ)). Хорошая растворимость в воде - уникальное свойство СО2: при 0°С и давлении, равном 1 атм, в 1 кг чистой воды растворяется 0.077 моль СО2 (СО2(раств.)) [1, 2]. Поглощение СО2 водой представляет собой частично физическое растворение, частично гидратацию:
CO
2(газ)' K
CO
2(раств.) "
H2CO3
^ H+ + HCO3
^ 2H+ + CO2-.
(1)
Величины констант равновесия рК1(каж.) и рК2 равны соответственно 6.35 и 10.25 [1]. Общая концентрация неорганического углерода (Сн) в растворе описывается уравнением:
Сн = [CO:
J + [Н2СОз] + [HCO3] + [CO2-]. (2)
2(раств.)
Соотношение С02, HCO- и CO^ в буферных растворах зависит от концентрации водородных
Сокращения: КА - карбоангидразы: пКА - плазмалеммная, рКА - растворимая, сКА - стромальная, тКА - тилакоид-ная, цКА - цитоплазматическая; Сн - сумма негидратиро-ванной и гидратированных форм неорганического углерода; АА - ацетазоламид; ЭА - этоксизоламид; I50 - концентрация ингибитора, снижающая скорость процесса на 50%; ФЕП - фосфоенолпируват; Vmax - максимальная скорость ферментной реакции; K05 - концентрация субстрата, при которой достигается половина Vmax.
Адрес для корреспонденции: Романова Алла Карловна. 142290 Пущино Московской обл., Институтская ул., 2. Институт фундаментальных проблем биологии РАН. Электронная почта: romanova@issp.serpukhov.su
ионов. При значениях рН ниже 6.4 преимущественной формой Сн является С02, при рН 6.410.3 - ион HCO3, а при рН выше 10.3 - ион CO^ [1, 3].
При нейтральной реакции среды в отсутствие катализаторов реакции гидратации С02 и дегидратации иона HCO3 протекают медленно: при 25°С константа скорости гидратации kCO равна
0.037 с-1, а константа скорости реакции дегидратации £нш- равна 14 с-1 [4].
При физиологических значениях рН в клеточных компартментах (за исключением люмена ти-
лакоидов хлоропласта на свету) ион HCO3 является преобладающей формой и может рассматриваться как форма кратковременного резервирования Сн. Реакции гидратирования-дегидратирования in vivo катализирует фермент карбоангидраза (КА), зарегистрированная как карбонатгидролиаза (К.Ф.4.2.1.1).
В тканях и клетках растений С02(растВ;) вступает во взаимодействие не только с водой, но и с растворенными в ней компонентами. Содержание Сн в фототрофной клетке может повышаться вследствие временных связей Сн с такими компонентами клетки как фосфаты [3, с. 198]:
С02 + Н20 + HPO2- = HCO- + Н2 PO4 (3) и незаряженные амины [5]:
RNH2 + CO2 = RNHCOOH. (4)
Растворимость С02 в органических растворителях и в жирах выше, чем в воде. Поскольку содержание липидов в мембранах хлоропластов со-
ставляет 20-30% от их сухой массы, они могут служить заметным резервуаром С02 [3, с. 384; 6]. Молекула С02, плоская и не несущая постоянного заряда, легко проходит через слои липидов с коэффициентами проницаемости от 0.15 до 1.6 см/с [7].
РБФК/О - основной фермент карбоксилиро-вания при С3-фотосинтезе, характеризуется сравнительно невысокой молекулярной константой скорости карбоксилирования, что in vivo компенсируется высоким содержанием фермента, которое может достигать 50% растворимого белка хлоропластов [8, 9]. Сродство РБФК/О к С02 in vitro колеблется в значительных пределах, но в целом сравнительно невелико: значение KM (CO2) у РБФК/О близко к его содержанию в современной атмосфере. Хотя соотношение параметров полунасыщения для С02 (KM (CO2) для РБФК/О и K05 (С02) для фотосинтеза) для разных растений проявляет значительный разброс, во многих случаях первая величина оказывается значительно выше второй. Следовательно, без существования дополнительных механизмов РБФК/0 должна была бы действовать in vivo в условиях, далеких от полного насыщения субстратом карбоксилирования. 0бщепринято, что для облегчения действия РБФК/0 и достижения высоких скоростей фотосинтеза необходимо участие КА. Участие наиболее известной растворимой формы фермента, вряд ли, могло быть эффективным из-за легкой обратимости его действия (см. далее). 0днако выяснилось, что в клетках высших С3-рас-тений существует несколько форм КА [10].
Актуальной задачей последнего десятилетия ХХ в. являлось и является поныне изучение молекулярных и кинетических свойств и выявление физиологической роли каждой из форм КА. Задача настоящего обзора состояла в том, чтобы обобщить имеющиеся в настоящее время сведения о присутствии КА в высших растениях и ее свойствах на каждом из этапов пути С02 из атмосферы в клетки и к активным центрам РБФК/0.
РАЗНООБРАЗИЕ МОЛЕКУЛЯРНЫХ ФОРМ И ГИПОТЕТИЧЕСКИХ ФУНКЦИЙ КАРБОАНГИДРАЗЫ
Выявлены, по меньшей мере, три главных генетических типа (семейства) КА, иммунологиче-ски гетерологичных и обозначаемых как а-, в-, у-типы; имеется также сообщение о присутствии в биологических объектах карбоангидразы 5- и е-типов [11, 12]. КА генетических семейств различаются по аминокислотным последовательностям и, по-видимому, эволюционировали независимо друг от друга [13, 14]. Сравнительно недавно стало известно, что в клетках растительных организмов представлены все три типа КА [10]. Подходы протеомики [15], позволяют обнаруживать черты структурного различия у белков, катализи-
рующих обратимую реакцию гидроксилирования С02 [10]. Руководством для поиска родственных свойств является обнаружение в геноме характерных открытых рамок считывания генов, кодирующих полипептиды, свойственные данному семейству КА. В базе данных для генов Arabidopsis thaliana имеются образцы экспрессируемых последовательностей большинства этих генов и предполагается, что они могут действовать и in vivo. Для ряда представителей разных семейств КА расшифрованы полные аминокислотные последовательности и выявлены их консервативные участки.
КА в-типа была обнаружена у всех исследованных представителей растений как с С3-, так и с С4-фотосинтезом, двудольных и однодольных, и рассматривалась как характерный признак КА высших растений. Присутствие у Chlamydomonas [16] генов КА a-типа, свойственных генам КА животных, казалось исключением до того, как последовательности, характерные для a-КА, были обнаружены также и у A. thaliana [10]. За небольшими исключениями КА, изученные до сих пор, являются цинк-протеидами и принципы их действия, по всей вероятности, сходны [17, 18].
Гипотетически карбоангидразы клеток растений могут выполнять разные физиологические функции в соответствии с местом их расположения. При фотосинтезе кроме быстрого перевода гидроксилированного субстрата в негидратиро-ванную форму, необходимую для РБФК/0 [19], имитирующего "концентрирование" С02 у центров карбоксилирования, они могут ускорять транспорт Сн через мембраны, поддерживать рН-статус в разных компартментах клеток, смягчая изменения кислотности в стрессовых ситуациях, регулировать транспорт протонов, а также ускорять С02-газообмен митохондрий при фотодыхании и "темновом" дыхании, особенно в ночные часы суток, и др.
Вероятность обратной диффузии С02 из клеток в окружающую атмосферу у наземных С3-рас-тений значительно больше, чем у фототрофов, живущих в воде, поэтому присутствие ферментов, ускоряющих процессы взаимопревращения гидра-тированной и негидратированной форм С02 на всех этапах пути из воздуха к центрам карбоксилирования представляется особенно необходимым.
КАРБОАНГИДРАЗЫ С3-РАСТЕНИЙ Апопласт
Первый этап поступления CO2 в ткани листьев С3-растений - диффузия через устьичные отверстия, которая регулируется работой замыкающих клеток и в норме соответствует скорости фотосинтеза. Неперемешиваемый слой жидкости может задерживать диффузию CO2 в клетки фо-
тотрофов [20], но, как было показано с использованием искусственной мембраны, присутствие КА в неперемешиваемом слое, окружающем мембрану [4], могло бы повышать скорость проникновения С02 в клетку. Апопласт имеет слабокислую реакцию среды (рН 5.2-6.4) [21], и преобладающей формой Сн является С02(раств.), концентрация которого в апопластной жидкости при 20°С составляет 10.1 мкМ. Расчет основан на концентрации С02 в подустьичном пространстве, где при стационарном фотосинтезе она составляет обычно ~0.7 от наружной, которая в современной атмосфере достигла 367 мкл в 1 л воздуха [22]. Сведения о присутствии КА в апопласте в настоящее время отсутствуют, а слой жидкости, окружающей клетку в тканях, достаточно тонок. Поэтому предполагается, что скорость движения С02(раств.) через водную пленку апопласта в сторону плазмалеммы по механизму простой диффузии достаточна.
Карбоангидраза плазмалеммы
Показано, что в клетку высших растений поступает негидратированная молекула С02, легко проникая в плазмалемму вследствие лучшей растворимости в липидном слое мембраны, чем в водных средах [23, 24]. Цитоплазматическая КА (цКА) может способствовать более быстрому достижению равновесия форм Сн в неперемешиваемом слое цитоплазмы, прилегающем к внутренней стороне плазмалеммы. Участие плазмалемм-ной КА (пКА) в транспорте С02 в клетку, как правило, не рассматривалось.
Предположение о наличии КА в плазмалемме клеток высших растений впервые было высказано на основании исследования эффекта высоких концентраций С02 на фотосинтез протопластов из мезофилла листьев гороха и клевера [24]. Известно, что
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.