Полученные результаты и их обсуждения

Динамика активности фумаратгидротазы в зеленых листья кукурузы в условиях гипоксии

Изучение механизмов приспособления организмов к изменяющимся условиям среды обитания становится особенно актуальным в связи с глобальными изменениями климата, загрязнением окружающей среды, а также для решения различных практических задач. Способность растений произрастать в обедненной кислородом среде связана с формированием целого комплекса анатомо-морфологических и физиолого-биохимических приспособлений, среди последних ведущая роль принадлежит приспособлениям процесса дыхания. Оптимальное для дыхания парциальное давление кислорода составляет 21%, снижение этого показателя отражается на уровне и структуре процесса дыхания. Качественные перестройки дыхания при недостатке кислорода представляют собой компенсаторные изменения в обмене веществ, выражающиеся в трансформации дыхательных путей, которые остаются недостаточно изученными, особенно для фотосинтезирующих органов растения [1].

В растениях кукурузы, помещенных в эксикатор с воздухом, активность фумаразы на протяжении всего эксперимента была наиболее стабильна. К 3 ч. экспозиции она составила 15,54 Е/гр.с.м. По прошествии 6 активность данного фермента установилась на значении 16, 13 Е/гр.с.м., а к окончанию опыты составляла 16,1 Е/гр.с.м. Данные результаты говорят о том, что в целом активность фумаратгидротазы в зеленых листьях кукурузы, изолированных от действия света, в условиях атмосферного воздуха не меняется.

С целью изучения действия стрессовых условий на активность фумаратгидратазы проводили исследования в различных газовых средах: среде азота и в среде углекислого газа. Контролем являлась атмосферный воздух. Результаты влияния гипоксии на функционирование фумаратгидротазы в листья кукурузы представлены на рисунке 1. Из графика видно, что в течение 24 часов эксперимента наблюдалось изменение активности исследуемого фермента.

Установлено, что максимальное значение активности ФГ наблюдается при экспозиции растений в течение 3ч в атмосфере углекислого газа и составляет 26,3 Е/г.с.м., однако к 6 часам экспозиции данный показатель резко снизился до значения в 12,28 Е/г.с.м. Через 24ч инкубации в среде CO₂ достигалось наименьшее значение скорости функционирования фумаразы и составляло 7,75 Е/г.с.м. Такая динамика активности фермента может быть связана с тем, что повышенное относительно нормального значения содержание углекислого газа в атмосфере оказывает сильное влияние на все процессы жизнедеятельности растительного организма.

Компенсаторные перестройки дыхательного метаболизма при недостатке кислорода в значительной степени отражают использование сформированных систем гликолиза и пентозофосфатного пути окисления глюкозы, поставляющих АТФ, достаточно большое количество промежуточных веществ для биосинтезов и биологических восстановителей [8].

Углекислый газ в избытке может влиять на синтез белковых молекул, рост организма, активировать или угнетать те или иные физиологические процессы [12]. Отмечено, что повышение содержания CO₂ в окружающей атмосфере способно снижать дыхание растения, а так же изменяет проницаемость мембраны клеток и как следствие снижать поглощение воды. [6]. Это может объяснить тот факт, что к концу эксперимента у растений, находившихся в условиях повышенного содержания углекислого газа, снижался тургор. В ряде исследований показано, что при гипоксии с избытком углекислого газа обмен углеводов, аминокислот и липидов усиливался, что являлось результатом специфического действия диоксида углерода на процессы обмена веществ у растительных организмов [3].

Резкое повышение активности исследуемого фермента в начале эксперимента может быть объяснено действием диоксида углерода как специфического стрессового фактора, способствующего мобилизации всех обменных процессов, однако при более длительном воздействии потенциал организма иссякает. По-видимому, активация дыхательного метаболизма в клетках листа компенсирует дефицит НАДФН, АТФ и продуктов обмена и одновременно при непродолжительной гипоксии вызывает усиление фотосинтетической активности и стабилизацию первичных фотохимических реакций, локализованных в хлоропластах.

Ранее показана активация работы ферментов разных дыхательных путей: гликолиза (ПК), спиртового брожения (АДГ), пентозофосфатного цикла (Г-6-ФДГ) и фотосинтеза (ГАФДГ — НАДФН) в проростках ячменя в условиях гипоксии как в темноте, так и на свету. Перестройки дыхательного метаболизма на анаэробный путь обмена в гетеротрофных и автотрофных тканях растения, кооперация процессов дыхания и фотосинтеза позволяют поддерживать энергетический баланс клетки, ведут к образованию необходимого количества восстановителей и промежуточных соединений, необходимых для различных биосинтезов, что обеспечивает наряду с другими защитными реакциями устойчивость растений к гипоксии [1].

В атмосфере азота наблюдался иной характер зависимости активности фумаразы от времени инкубации растений. В течение первых шести часов экспозиции активность исследуемого фермента изменялась незначительно. И составляла от 13,7 Е/г.с.м. до значения 15,3 Е/г.с.м. Однако, к 24ч эксперимента скорость функционирования фумаратгидротазы снизилась практически в двое и составила 8,67 Е/гр.с.м. При этом, данное значение было выше, чем данный показатель в атмосфере углекислого газа.

Как известно, одним из возможных поставщиков АТФ является дыхательный метаболизм, неотъемлемая часть которого электрон транспортная цепь, для которой в аэробных условиях конечным акцептором электронов является кислород. В том случае, когда доступ к кислороду затруднен, синтез энергетических эквивалентов происходит преимущественно в реакциях спиртового и молочнокислого брожения, однако данная стратегия способна обеспечивать организм энергией весьма недолговременно. Но в настоящее время рассматривают другой механизм, помогающий выживать растениям в условиях гипоксии — это использование NO в качестве промежуточного акцептора электронов, способствующего окислению NADH, которое достигается в реакции образования NO и его последующее окисление обратно в нитраты [23].

Сукцинат важный метаболит, который выделяется при гипоксии. Было отмечено, что он накапливаться в всходах рассады и в клетках водорослей (Vanlerberghe и др, 1989; 1990;. Vanlerberghe & Turpin, 1990), подвергнутых дефициту O₂, в результате частичной операции цикла трикарбоновых кислот в обратном направлении.

Полученные нами данных согласуются с данной теорией, поскольку накопление сукцината может является следствием низкой активности сукцинатдегидрогеназы, окисляющей последний до фумаровой кислоты. При этом недостаток субстрата для фумаразы, проявляется в снижении ее активности по истечении 6 часов инкубации.