Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

РОЛЬ ЖЕЛЕЗО- И МЕДЬ- ПРОТЕИДОВ ЭЛЕКТРОННО-ТРАНСПОРТНОЙ ЦЕПИ ФОТОСИНТЕЗА В ЗАВИСИМОСТИ 0Т УСЛ0ВИЙ ВЫРАЩИВАНИЯ РАСТЕНИЙ

ВАК РФ 03.00.12, Физиология и биохимия растений

Автореферат диссертации по теме "РОЛЬ ЖЕЛЕЗО- И МЕДЬ- ПРОТЕИДОВ ЭЛЕКТРОННО-ТРАНСПОРТНОЙ ЦЕПИ ФОТОСИНТЕЗА В ЗАВИСИМОСТИ 0Т УСЛ0ВИЙ ВЫРАЩИВАНИЯ РАСТЕНИЙ"

БИОЛОГИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

На правах рукописи:

' ДОГОВА ■ .. '., . :

Елена: Павловна -"' ,

РОЛЬ ЖЕЛЕЗО- И МЕДЬ-ПРОТЕИДОВ: ЭЛЕКГРОШЮ-ТРАНСПОРТНОЙ ЦЗПИ. ФОТОСИНТЕЗА■ В' ЗАВИСИМОСТИ ОТ УСЛОВИЙ ВЫРАЩИВАНИЯ РАСТЕНИЙ ,

■о'. 03.00.12 - физиология растений: : : V

(Диссертация на русском языке)

- ~ Автореферат- '. ■

■/ диссертации, представленной на^ соискание;ученой степени-■ 1 - . кандидата биологических наук

ИЗДАТЕЛЬСТВО МОСКОВСКОГО УНИВЕРСИТЕТА ♦ »973

Работа выполнена на - кафедре физиологии растений Еи'ологиче-, ского факультета ЖУ. 1 \ ".-.".■ .,-' • " ; - 1 ,' ■ "

■ . 4 - .', -Научные*руководители:,. ■ Кандидат биологических наук, доцент Чернавнна U.A.

Чл.-корр. БАСЗОШЛ^-доктор сельскохозяйственных наук, профессор - Рубин Б.А. . ' "■/■ ■ .""'.-.• •

- Официальные оппоненты: '. .

Доктор биологических наук Воскресенская Н.П. ;

; Кандидат биологических наук Мухин E.H. ' ~:

За официальный^!зыв работа-:направлена в ^ордена "Ленина":: ' Институт Биохимии им. А.Н.Беха АН ОССР.' ' . ■

- ; Автореферат разослан " ■ 1973 г.

' Защита диссертации состоится," f " 1974-г.

- - . ъ /S- -час. на заседании Ученого Совета физиодого-био-химич«ского отделения Биологического, факультата._ Вашиотзыэы и замечания просим присылать по адресу: Москва II7234, Ленинские -горы, МГУ, Биологический факультет . Ученый Совет.; . i-v." -

.'.■*■■: . С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Биологического факультета'МГУ. . 4 . " ; ..';

.. Ученый секретарь Совета .Г- ' ■'.

/ ") . • . . Н.С.Александрова ..-

Отличительной чертой растительного организма является его пластичность, способность адаптироваться к постоянно меняющимся условиям внешней среды. Эта способность обеспечивается, в первую очередь, лабильностью систем, связанных с основными процессами Ш13недеятельности растения.

Убедительным промером в этом отношении может служить работа дыхательного аппарата клетки, в настоящее время накопилось достаточное количество фактов, которые говорят о том, что структура электронно-транспортной цепи (ЗТЦ) дыхания не остается постоянной; под влиянием различных внешних и внутренних (факторов ткет меняться состав ее компонентов, соотношение свободного а фосфорадирующего окисления, активность отдельных переносчиков электронов и т.д. (Рубив, Ладыгина, 1966; Чернааина и др., 1963; Чернавина, 1972)«

В последнее время все больше внимания уделяется вопросу лабильности системы, связанной с другим жизненно важным процеосоы растительного организма - фотосинтезом. В ряде опытов с изолированными хлоропвастами показано, что доля участия отдельных компонентов 3X3 в переносе электронов, место включения в цепь различных доноров и акцепторов, направление тока электронов нередко определяются условиями проведения эксперимента С Goffeau, Во vé, I9ÍS; Коршунова а др., 1Э67; Milton, Rienlts - , 1972).

Есть все основания полагать, что возможность перестройки системы транспорта электронов, обнаруженная в опытах vitro, отражает, динамичность структуры ЭТЦ фотосинтеза in vivo . Вполне вероятно, что в зависимости от вида, физиологического состояния растения, условий внешней среды и других факторов будет меняться степень сопряженности потока электронов с фоофорилированаем, соотношение циклического и нециклического фотофосфорвлирования, доля

1—2239

участия различных компонентов в переносе электронов и т.д. В связи с этим представляй; интерес данные о возможности функциошро-вадая независимых путей транспорта электронов на отдельных участках ЭТЦ, Так, Изава и Гуд в опытах с ингибиторами фотофосфорияя-рования подучили результаты, которые позволили им аре ¿¡доложить, что в цепа между первой и второй фотосистемами существуют два потока электронов, один из которых.названный "базалыщм™, действует постоянно и не сопряжен о образованием макроэргов. Второй путь функционирует только в условиях, обеспечивающих фотофосформирование ( Tzawa, Good , 1968),

Положение о существовании в хлоропла стах двух типов цепей транспорта электронов развивается также в работах ¡ЛакЭвоя и Линн ( Uoliirow, I*jmn , 1912 а,Ъ).

В пользу гипотез, предполагающих наличие в ЭТЦ фотосинтеза параллельных или альтернативных путей переноса электронов, свидетельствуют данные о существовании в фотосинтеэиругодах тканях белков, способных выполнять одну а ту же функцию. К их числу можно отнести фнтофлавин и флаводоксин, которые могут заменять ферредок-син в раде фотохимических реакций (Smillie , 1963; ЗшИИе, 1965; Knight, Hardy , 1966; Knight, Herdy » 1967) а рубиме-дин, который, как показано, ускоряет ток электронов от воды к НАДФ при освещении хлоропластов, обработанных гептаном, в присутствии пластохинонов А и С ( Heiminger, Crime , 1967). Обсуждается возмэжвость независимого фунюхио Кирова кия 2-х металл-содержащих компонентов ЭТЦ - пластоцианина (Пц) и цитохрома t . Эти белка, как известно, имеет1 близкий окислительно-восстановительный потен-

I

циал а выполняют сходные функции. Предположение о параллельном включении их в цепь транспорта электронов было высказано впервые

Коком я сотр., которые обнаружили сходство в кинетике фотоокио-ления экзогенного Ш в цитохрома t . при освещении обработанных детергентами хлоропластов ( кок , 1963; Кок и др,, 1964).

С гипотезой Кока согласуются данные рада других исследователей, Так, Злстнер и сотр. показали, что реакция фотовосстановления НАДФ фрагментами хлоропластов шпината отполируется как пластоцианином, так и цитохромом 552 из Эвглены (аналог цитохрома f высших растений). Сходные результаты были получены Лайбоди и Крогман в опытах с обработанными ультразвуком хдоропиастами Anabaena variabilis (bightbody, Krogmaan , 1967) И Верноном а сотр. в опытах с хлоропластами шпината, обработанными Тритоном Х-100 ( vemon и др., 1967).

Исходя из представлений о пластичности фотосвнтетического аппарата клетка, можно ожидать, что в условиях,неблагоприятных для деятельности отдельных переносчиков электронов, их функцию частично или полностью будут выполнять соединения яноЯ природы.

О подобных перестройках в ЭТЦ дыхания неоднократно сообщалось в литературе.

Тая, работами, проведенными на кафедре физиологии растений МГУ, было показано, что нарушение обмена железа в растении, вызванное внесением токсических доз № в питательный раствор ( Siderie, Young , I949> Weinstein, Robbing , 1955; Чернавина, 1972), сопровождается падением активности р ©-содержащих каталитических систем и более эффективным включением в цепь Си -содержащих ферментов - аскорбинатоксидазы и фэнолоксвдазы, а также соответствующих промежуточных переносчиков электронов (Рубин, Яер-навина, 1959; рубин и др., 19Ш; Чернавина, Картатова, 1967).

Мы предположили, что изменения, аналогичные обнаруженным в

ЭТЦ дыхания, будут происходить и в ЭТЦ фотосинтеза, а именно, что физиологическая инактивация железа в тканях, вызванная избытком М л , отразится неблагоприятно на деятельности ре-содержащих компонентов, о суще стелящих первичные реакции фотосинтеза, и их функцию примут на себя переносчика иной природы. Возмэжно, как и в случае дызания, ими окажутся С и—протеиды.

В связи с этим, непосредственной задачей наших исследований ' было определение доли участия ре- и Си- содержащих компонентов в ЭТЦ фотосинтеза хлоро пластов растений, выращенных при избытке 1Лп в питательной среде и при частичном снятий токсического действия tón ЕДТА.

Для решения этой задача изучали:

1. Действие ингибиторов Си -содержащих соединений и антимицана А на фотохимическую активность (циклическое фотофосфэрадирование) хлоропластов.раотений, выращенных в условиях различного снабжения марганцем.

2. Действие экзогенного Пц и цитохрома f на фотогамическуэ актива-„*ть частиц, лишенных этих белков.

3. Содержание Си - и Fe-протеидов ЭТЦ фотосинтеза в хлоропласта* опытных растений.

МЕТОДИКА ПОСТАНОВКИ ОШГОВ И ОПРЕДЕЛЕНИЙ

Объектом исследования служили растения овса ( Avena sativa, ь. ) сорт "ИемчиновскиЙ" и "Орел", выращенные в камере иск^сивен-ного климата.

Охема опыта включала следующее варианты: X. 1/5 смеси Квопа + 3 мг/л ре + I мг/л Ип П. 1/5 смеси Кноса + 3 иг/л ре + 100 иг/л Ми Ш, 1/5 смеса Кяопа + 3 мг/л ре + 100 мг/л Ми + 700 мг/л

ЕДТА (двунатрвевая соль).

Концентрацию комплексона экспериментально подбирали таким образом, чтобы внесение его в' питательный раствор снимало признака заболевания, вызванного избытком Мп .

Хлоропласта из листьев опытных растений выделяли по методу Арнона (Лтоп и др., 1956) * Фрагмента хлоро пластов получали после обработки хлоро пластов деионизованной водов (Pumita, В др., 1965) ИЛИ дигитоняном (Anverso», Boafdmait , 1966). В последней случае хлоропласты инкубировала в течение 30 ион. в 0,5 % растворе дигитоннна, затем суспензию подвергали дифференциальному центрифугированию. В опытах использовала осадок, полученный после центрифугирования от 1000g до 10 ОООе (частицы второй фотосистемы) а от 52000g до 162 000g - "легкая" фракция, представленная, поданным авторов метода, частицами первой фотосистемы..

Интенсивность циклического фотофосфорядирования определяли ш убыла неорганического фосфора" в реакционной среде при освещении. О скорости фотовосстановления метилового красного, феррици-анвда а НАДФ хлоропластаme а фрагментами хлоропласгов судили по изменению оптической плотности реакционной среды при соответствуй, щей дайне волна,

' Пяаотоцианин. ферредоксин и ферредоксин НАДФ-редуктазу, использованные в опытах по фотовоостаяовлешю НАДФ "легкой" фракцией частиц,получали из листьев гороха С San Pletro, bang , 1958; Shin И др., 1963; Gorman, Levine , 1966 a; Katoh и др., 1962), цитохром с552 - из Эвглены (Mitsui, Tsushima , I960).

Количество.Йц а ферредокоаяа в растениях различных вариантов определяли после Фракционирования смеси белков, выделенных аз листьев, на колонке С ионообменнаком ( San Pieíro.Lang , 1958; Cornau, LaTine , 1966 a). Для оценки содержания цитохромных компо-

3-2289

центов хлоропластов использовали метод дифференциальной спектро-фотометрии. Спектры "восстановленная минус окисленная суспензия хлоропластов" регистрировали на дифференциальном спектрофотометре "Хитачи 353" при комнатной температуре. Для восстановления ци-тохромних компонентов добавляли дитионпт и аскорбат, для окисления - феррицианид.

Результаты опытов во всех случаях, где это указано, обрабатывались статистически на достоверность разницы между I и П и I и Ш вариантами по методу сравнения совокупностей о попарно связанными данными (Урбах, 1964; Рокмдкйй, 1967).

ИЗДОКЕШЕ И 0ШУ2ЩЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ Материала, представленные в настоящей работе, позволяют говорить о том, что физиологическая инактивация яелеза, вызванная присутствием токсических доз Мп в питательной среде, сопровождается нарушением работы фотосинтетического аппарата клетки в целом. Это следует из сравнения фотохимической активности хлоропластов и фрагментов хлоропластов, полученных из растений различных вариантов. Результаты отдельных ог£нтов приводятся в таблице I.

Таблица I

Влияние условий выращивания растений на Фотохимическую активность суспензии хлоропластов и частиц 1-ой и 2-ой фотосистем

¡Скорооть фотовосстановления феррицианяда I Скорость фотовосста-: (мкмоди ферроцианщщ/мг хл-ла. час.) (новления НАДФ части-[ . .. ......1 .- . ■ I 1-1 . . ¡цама 1-й фото сист.

1 Хлоропласта [Частицы 2-й фотосиот^*™™™ ЩДФ-Н/мг

__._._.__ц_.____- . ____ т лл**ла » ..._..___

!

! I

| Д Ш Рт01! I I Д ГУ3*! Нп Ш ш IV

I. 336,0 34 100 15,4 29,9 9,47 57 85

117,6 338,4 20,0 77 149 5,47 8,05

2. 303,6 39 93 23,6 29,7 6,92 46 112

120,0 254,4 26,4 89 112 3,18 7,80

3.573,6 47 81 13,4 20,5 4,98 84 210

270,0 468,0 14,2 94 144 4,18 10,94

1,П,Ш - варианты опытов.

Как видно из данных таблицы» хлородласты растений, выросших в присутствии токсических доз Мп , менее активны, чем хлоропласты нормальных растений, в реакции Хилла с феррицианядоы в качестве окислителя; та же закономерность наблюдалась в опытах по фотовос-становленвю ЕАДФ и ферридианида частицами Г-ой и 2-ой фотосистем. Различия мевду X и П вариантами во всех случаях достоверны с вероятностью 95-99 %.

Фотохимическая активность хлоропластов и частиц, полученных из растений, выросших в присутствии комплексоиа, приближалась к уровню активности хлоропластов нормальных растений, а иногда несколько превышала его и всегда с достаточной степенью достоверности превышала значения, полученные для растений П варианта (избыток Ми ),

Сравнение интенсивности циклического фотофосфоршшрования (кофактор - паоцианин иди ®ЛС) также показало существенное50$) снижение интенсивности этого процесса в хлоро пластах растений, выросших в присутствии токсических доз Мп (табл. 2). Добавление в питательный раствор ЕДТА увеличивало скорость фотофосфоралиро-вааия почти до нормы.

Таблица 2

Скорость циклического фотофосформирования в хлоропластах растений различных вариантов (в мкдалях Р-д/мг хл-ла за

Вариант | № опыта „} I 1 П ) ' ! ! 1 % от I I I Ш ; | % от I

I 36,1 15 42 45,7 126

2 43,9 23,7 . 54 39,1 89

3 54,0 28,3 52 ' 50,4 93

Выяснении причин токсического действия,* которое оказывает на растение избыток М п , посвящено значительное количество исследований. Согласно большинству из них, присутствие высоких доз этого элемента в питательной среде тормозит поступление а передвижение Ре в растении < з±авг±», Гошхе , 1349; Рубин а др. 1962), а также лишает растение возможности нормально использовать имеющееся в ней железо. Так, установлено, что при неблагоприятных соотношениях ре и Мп увеличивается содержание железа во $ракпии неактивных и запасных форм ( Зотега, зы?е , .1942; Чернавина, 1973); одновременно происходит снижение активноста ря-. да железосодержащих ферментов' ( КоЬЫпа 4 1955;

Рубин, Чернавпяа, 1959). Эта данные, наряду со сходством в характере заболеваний, связанных с недостатком ре или избытком М и в питательной среде, позволили исследователям сделать вывод о том, что 2 основе токсического действия Мп лежит вызванное им нарушение обмена железа в тканях растения.

Исходя из представлений о физиологической инактивации железа под действием избнтяа М п , можно ожидать, что одной из причин подавления фотохимической активности, в частности, циклического фотофосфорилирования в хлоропдастах растений П варианта является снижение доли участия в этом процессе Ре-содержащая компонентов. Возможно, в этом случае, как и в случае дыхания, имеет место активирование Си -содержащих переносчиков электронов.

' Для доказательства этого предположения была проведена серия экспериментов с использованием медьхелатирущах агентов, которые могут рассматриваться, как возможные ингибиторы Си -содержащих переносчиков электронов в ЭТЦ фотосинтеза. В качестве таких.агентов были выбраны сшшдилальдокоиы (СА), диэтилдагаокарбанат н а

(ДДГК На), тиомочевина (ИМ) а этилксантогеват К СЭКК). Б литература имеются сведения об иягайировааид этими соединениями ряда фотохимических реакций. Так, в опытах Требста и сотр. СА пода&-лял фотово становление ферриованида и НАДФ изолированными хлоро-пластами, а также циклическое фотофосфорилироваше с витамином Kg С Trebat и др., 1963). Сообщалось об ингибироваяии СА и ДЦТК JTa свет-шщуцарованных адсорбционных изменений в области максимума поглощения Пц (Koucbkovaicy, Pork , 1964; Pork, Ui-bach , 1365).

В качестве ингиоитора, который, по ряду данных, действует на г е-содеркзщие компоненты ЭТЦ фотосинтеза (Tagawa я др.

1963; Hind, 01 a on , 1967; Cramer И др., 1971), был использован антимвцин л.

Результаты типичных опытов с ингибиторами приводятся в виде диаграммы на рис. I

ОВД

процент варианты ВО Ш

ннгиЖирования фотофосф. I И Ж '

Рис. IВлияние медьхелатируюшах агентов и антимишша А.

ва циклическое фотофосфорилирование хлороавастов

растений различных вариантов.

3-2289

Из данных диаграммы видно, что степень по давленая циклического фотофосфоршшрования медьхелатирующими агентами была наиболее высокой в хлоропластах растений, страдающих от избытка Мп . Инги-бирование этого процесса в хлоропластах растений, выросших в присутствия ЕДТА, было приблизительно таким же, как в I варианте.

Результаты опытов с антимицаиом А менее однозначны, однако, в 7 опытах .из 8 была.обнаружена тенденция, свидетельствующая об ослаблении действия антибиотика при его введении в суспензию хлоропластов растений о бблыяим содержанием Ма (П вариант).

Совокупность данных, полученных в этой серии.опытов, позволила сделать предварительный вывод об изменении структуры ЗТЦ фотосинтеза хлорояластов растений с нарушенным обменом железа (избыток «In , П вариант). Очевидно, в хлоро пластах таких растений снижена доля участия р е-содержащих компонентов в первичных реакциях фотосинтеза, в частности, в циклическом фотофосфорилирова-нии и возрастает значение С и-содержащих переносчиков. Возможно, . что здесь речь может идти о пластоцааквке. Рядом исследователей, однако, ставится под сомнение специфичность использованных ингибиторов по отношению к Пц ( Katoh, San Pietro , 1956 b; Lindaiii, 1966; Renger и др., 1967).

Анализ результатов, полученных в Ш варианте опытов, согласуется с представлением о положительном действии, которое оказывает на растение ИТ А, внесенная на фоне высоких доз Мп , Предполагается, что добавление комплексона в питательный раствор дает возможность растению использовать жадезо, включение которого в клеточный метаболизм.тормозится присутствием избытка Мп *

В наших опытах ЗДТА, внесенная на фоне высоких доз Ма , заметно стимулировала фотохимическую активность хлороппасгов (табл.

I и 2). Очевидно, одной иэ причин подобного действия КДТА является более эффективное включение железа в обмен тканей растений Ш варианта по сравнению со П вариантом и, как следствие этого, активирование г ©-содержащих соединений, участвующих в переносе электронов по ЭТЦ фотосинтеза.

Степень ингибирования циклического фотофо сфорилярования в хлоропластах растений Ш варианта приближалась к таковой I варианта; это позволяет предположить,, что доля участия Cu-содержащих компонентов (возможно, Пц) в ЭТЦ фотосинтеза растений, выросших в присутствии OTA, остается ток же, что и в нормальных растениях.

Однако, как отмечалось ранее, опыты с медьхелатирующит агентами позволяет сделать лмь предварительный вывод о включении Пц в ЭТЦ фотосинтеза хлоропластов растений с нарушенным обменом железа.

О воз:.тп;шостя изменения доли участия Пц в ЭТЦ фотосинтеза растеплЛ, ьк¡тостих в неблагоприятных условиях, с бблъаим основа-пнем, очевидно,-шшо судить по результатам опытов, в которых изучалось влияние экзогенного Пц на фотохимические реакции чес-т!Щ, липенннх в значительной степени этого белка. В качестве таких частиц была использованы фрагменты, полученные после обработ-:«■ хлорипластов деиошэованной водой или дигитонднон,

О эгадывашш Пц при гадотонической обработке хлоролластов сообщали Като и сотр. ( Ko.toh и др., 1961). По данным этой же группы исследователей, i¡u заменю стимулирует спорость Qotoboc-стадивления метилового красного подученными таким ооразом частицами при использовании в качестве донора электронов восстановленного дихлорфенолиндосвенола ( Katoti; 'JCn^&Miya , 1965).

В таблице 3 приводятся результаты опыте® по влиянию экзогенного Пц на скорость фотовосстановлеаия метилового красного фрагментами, полученными после обработки хлоропластов деионизо-ванной водой. Щ добавляли в реакционную смесь в количестве 4 ммкмолей.

Таблица 3

Виляние пластоцианина на фотовосстановление метилового красного фрагментами хлоропласте® растений, выращенных в условиях, различного снабжения марганцем

Количество восстановленного метилового красного.мкдали/мг _._В _:_,_

Ü опыта j_Г__I_2 |_3_

Варианты \ I | П j Ш } I ) ' П | Ш j I j Д j "ш ' -Пц 9,24 11,04 5,04 5,04 4,68 5,04 3,96 4,33 4,32

+Пц 11,76 17,28 7,20 6,24 7,32 5,88 5,52 8,89 5,88

% стимуляции

пластоциани- 2 7 57 42 25 58 17 39 105 50 ном

Как показывает таблица, пластоцианин во всех случаях увеличивал скорость восстановления метилового красного обработанными деиони-зованной водой хлоро пла ста ми; однако, степень стимулирования реакции шастоцианином была не одинакова: в хлоропластах растений, выращенных в условиях избытка Мп , Пц действовал значительно эффективнее, чем в хлоропластах нормальных растений. Полученные различия достоверные вероятностью 95 %, Хлоропаасты из растений X и Ш вариантов реагировали на добавление Пц почти одинаково.

Приведенные данные могут, очевидно, свидетельствовать о том, что при физиологической инактивации железа>в растений значение Пц в ЭТЦ фотосинтеза возрастает.

Дальнейшее подтверждение этому выводу дали опыты по восстановлению НАДФ "легкой" фракцией частиц, полученной после обработ-

ки хлоропластов дигитонином; в этом случае удаление Пц является более полным, чем при гипотонической обработке. Известно также, что такие частицы лишены в значительное степени цлтохрома f ( Boardaan, Andersoa , 1967), Это давало нам возможность сравнить влияние экзогенных белков — Ilq и цитохрома Cggg ~ 113 функционирование ЭТЦ фотосинтеза.

Добавление Пц (3 ммкмэля) к реакционной смесв значительно увеличивало скорость фотовосстановлекия НАДФ, при этом степень стимуляции существенно различалась по вариантам; сильнее всего действие белка проявлялось для частиц, полученных из хлоропластов растений, выросших в присутствий избытка U п . Это иллюстрируется данными таблицы 4. Разница в степени стимуляции между 1и П вариантами достоверна с вероятностью 98 %. Результаты, полученные с фрагментами из хлоропластов растений Ш варианта, были несколько разноречивы и не дали однозначного ответа.

Таблица 4

Действие пяастоцианина на скорость фо тово с становления НАДФ фрагментами хлороппастов овса

НАДФ-Н, мкмэли/мг хл-ла в час

опыта-[Еэриант j 1 1 ! +Пц 1 % стимуляций 1 пластоциани ном

I Г П Ш 3,12 2,52 4,01 17,72 19^88 21,23 467 688 430

I 2 П Ш 6,92 3,10 7,80 27,0 19 93 23 |l0 290 526 196

I 3 д ш 5,64 2,02 16,92 16,92 15,39 34,02 20Q 661 101

Противоположную закономернооть можно было наблюдать в опытах с питохромо» Сдд^. Этот белок, кзк показывают данные таблица 5, оказался более элективным при внесении его в суспензию часткц, полученных из хлоропластов растений, выросших в нормальных условиях.

Таблица 5

вое

хлоропластов овса

Действие цитохрома на скорость фотово остановлен и НАДФ фрагментами--------- ~ ----

НАДФ-Н шмоли/мг хл-ла в час ■ * 1стщу- {

Г ( 1+цато-И ,Вари-)-цито- !-хром опыт ант ] хром !45 шк-та | ; ! моля ! 1_!_

1 % стиаду-* ляции цздохро-мом

;+цито-

ляциИ I- цито-}-хром цитохро- , хром {90 ммк-ЫОМ | | шля

I

п

Ш I

п

ш

X

п ш

5,81 6,26 6,31

6,92 3,18 7;ео

4,98 4,18 10,94

6,43 6,13 5 ¡42

9,31 3,70 7,70

5,51 3,83 10,0«

10 -3 -15

34 16 -2

10 -9 -8

3.12 2,52

4.01

5,64

2.02

5.13 3,77 4,62

4.С4 2,92 Ь ,24

7,56 2,52 17,45

6,16 3,68 5,28

29 15

30

34 24 30

20

О

14

В I варианте опытов доза цитохрома 45 ммкмоля вызывала стимуляцию реакции приблизительно на 21 % (среднее из II опктов). Во П . варианте эта величина составляла около 3 Разница в проценте стимуляции мезду I л И варианта:ли достоверна с вероятностью 95

При увеличении количества взосишго цитохрома до 90 ммкшлей общая картина не менялась; цитохром также оказался более эффективным в реакции Готовосстановления НАДФ частицами, полученными из хлоропластов нормальных растений. В Ш варианте обе дозы сталировали реакцию в меньшей степени, чем в I варианте.

Эти данные могут бить попользованы, как доказательство возможности изменения, в определенных условиях, состава ЭГЦ фотосинтеза: функцию переносчика электронов на участке цепи, где расположен Щ я цитохром г , при физиологической инактивация железа выполняет в основном {или полностью) Си-содержащий белок, поэ- ■ тему во фрагментах хлоропластов П варианта включение в цепь экзогенного Пц дает больший эффект, чем в опытах с хлоро пластами из растений I варианта. Значение цитохрот f ,как переносчика электронов по цели, падает.

На основании результатов, полученных в этой серии опытов, трудно сделать вывод о роли изучаемых белков в ЭГЦ фотосинтеза хлоропластов растений Ш варианта. Можно, однако, предположить, что ВДТА не снимает полностью токсического действия Мп , так как внесение цитохрот с552 в Ш варианте давало в большинстве случаев меньший эйфект, чем в I варианте.

В связи с обсуждаемой в настоящей работе возможностью изменения доля участия С и _ и ге-содераэщих переносчиков электронов в ЭГЦ фотосинтеза хлоропластов при нарушении обмена железа, ш считали целесообразным определить содержание Пц, цато-хромных компонентов и в листьях растений опытных вариантов.

Результаты типичных опытов по определению содержания плас-тоциандна и ферредоксина в листьях растений трех вариантов приводятся в таблице 6. Всего было поставлено 6 опытов, все они выявили сходную закономерность.

Как явствует из цифр, приведенных в таблице, содержание Пц в расчете на г сырого веса и на мг хлорофилла было значительно вше в листьях растений, выросших при избытке Мп в питательной среде (П вариант).

Таблица 6

Содержание пластоцианана.и ферредоксина в листьях растений различных вариантов

| | Количество шюстоциани-] Количество ферредоксана

Л | вард. | на в маг ат. }в мкмолях белка Т»|0-4)

опыта | анты |ва I г сн- {да мг хлоро-|на I г сы- |на мг хло-| |рого веса | фалда |рого веса |рофилла

I I И Ш 0,91 «Р 0,54 1,71 2165 2,62 0,95 1,71 1154

2 . I П Ш пг 3,30 следы 1,49 1,70 следы 4,47 14,50 следы 2,25 . 7|49

3 I п и] следы 0,90 1,89 следы 0,51 1,0 следы 4,21 13,30 следы 2,42 7)03

5 I варианте опытов в том количестве материала, которым мы располагали (150-200 г), удавалось определить только следы этого белка.

Наиболее вероятным объяснением обнаруженной закономерности, с нашей точки зрения, является усиление синтеза пластоциакана в растениях И варианта. Это хорошо согласуется с полученными в предыдущих опытах данными об увеличении дола участия Си -содержащих компонентов, в частности, Пц, в ЭТЦ фотосинтеза в тканях рао-теняй с нарушенным ооменом железа.

Содержание ферредоксина в листьях растений, получивших при выращивании избыток М п ,также намного превышало его содержание в листьях нормальных растений. Эти результаты трудно интерпретировать без дополнительных исследований. Исходя.из данных о вза- _ ишдействиа ионов внутри растительных тканей в случае избытка одного из них (Чернавина, 1970 ъ), можно предположить, что фер-редоксин в листьях растений, выросших в присутствии токсически*

доз М и . утрачивает частично иди полностью свои каталитические свойства вследствие замены железа в активном центре протеида на -М л ; при этом содержание белка не снижается. О возможности изменения активности и свойств ферредоксина под влиянием условий выращивания растений уже сообщалось в литературе ( Eyeter, 1961; Мухин и др., 1970).

Из листьев растений,.выросших в присутствии кошдексона. также удавалось выделить больше, до сравнению с I вариантом, количества шшстоциашша а ферредоксива.

Для оценки содержания цитохромкш: компонентов в хлороплао-

тах растений опытных вариантов использовали дифференциальные

спектры "восстановленная минус окисленная суспензия хдоропдао-

с

тов". При этом исходила из того, что спектр "воЗФансвленвая дя-чионитом минус окисленная феррщианядом суспензия хлоропластов" соответствует дифференциальному спектру всех цитохромов, спектр "восстановленная аскорбатоы шнус окисленная ферридианидоц суспензия" - дафферевциалыюму спектру цитохромов ъ^д + f , спектр "восстановленная дитионитом шнус восстановленная аскорбатои суспензия" - дифференциальному спектру цитохрома ъ6, спектр ьнеобра-ботанная глнуо восстановленная дитионитом суспензия хдоропдастов" - дифференциальному спектру цитохроюв, которые находятся в хло-ропластах в окисленном состоянии ( James, ЬеесЬ » 1964; Bo&rd-man, And^rson , 1967). Дифференциальный спектр "восста-

новленная гидрохиноном шнус окисленная феррициашдом суоаепзчя хлоропластов Св I % Тритоне Х-100)", по данным Дпезяачар в 2ен-долл; выявляет спектр цитохрома t í Plesnlíar, Bendall , 1970).

О количестве цитохромов судили по разнице в оптической плот-

ности ( л Д) иеаду восстановленной и окисленной формами, отнесенной к единице хлорофилла ( мг-^да ■■).

На рисунке 2 приводятся типичные дифференциальные спектрш "восстановленная минус окисленная суспензия хлоропластов" доя растений I варианта. Спектш суспензии хлоропластов дан растений П и Ш вариантов существенно не отличались и имели сходное положение ¿С -полос.

Рис. 2. Дифференциальные спектре суспензии хлоропластов овса,

0. Нулевая линия. I. Восстановленная датионитом мвдус окисленная феррицяанидом суспензия хлоропластов. 2. Восстановленная, дитиони--том минус восстановленная аскорбатом суспензия хлоропластов, 3. Восстановленная аскорбатом минус окисленная феррицианидом суспензия хлоропластов, 4. Восстановленная гидрохиноном минус окисленная феррицианидом суспензия хлоропластов (в I % Тритоне Х-ЮО). 5. Необработанная минус восстановленная датионитом суспензия хлоропластов. Длина оптического пути - I см.

Результаты опытов по определению содержания цитохромов в хлоропластах растений трех вариантов, выраженные, как среднее арифметическое из 8-11 опытов, представлены в таблице 7,

Таблица 7

Содержание цитохромов в хлоропластах растений овса в зависимости от снабжения их марганцем

—I' ■■'-■ — - — ■ I I . ' ■—

| Количество цитохромов

Обработка хлорр I вар. * П вариант ' Ш вариант

пластов . I1 ■"■ ; ■ '-■I 1 . - I 1—""

(-----— ' ~ « ~ 'в отк.ед. "

- ___

\

¡в отн.ед{в отн.ед. [ в % к в отк.ед. ; в % к |(х1(Г2)|(х10-2) | ¡(Х10-2) ! 1 в-

I.Датионит-фер-рицианяд (цит. £ * ъб + ъ559> 9,63 9,96 103 9,13 94 (р = 0,01)

2.Дитаовит-ас-корбат (цит.ь6) 5,53 6,15 , 111 * (р >0,05) 5,15 93 (Р< О.ОУ)

З.Аскорбат-фер-рицааняд (цит. * * ъ559) 6,00 5,35 89 (р = 0,03) 5,61 93 <р = 0,02)

4.Гидрохинончфер-ридаанид (цит.£) 2,16 2,48 114 ■ (р > 0,05) 2,41 , V (р > 0,05)

Статистическая обработка показала достоверность разницы (снижение содержания) суммы цитохромов г + ъ^^ бо П варианте по сравнению с I вариантом. Тшкак суммарное содержание всех питохром-ных компонентой при этом практически не менялось, мэжно полагать, что реальным было также некоторое увеличение количества гятохро-ма ь6 в хлоропластах растений этого варианта» Таким образом, результаты псзеоляит говорить об изменении соотношения цитохромных компонентгв в растениях с нарушенным обменом железа. Эти изменения, очевидно, являются существенными для цптохромной системы, которая известна, как одйа из наиболее устойчивых ферментных сис-

тем клетка, а не могут не отражаться на ее функционировании.

ЕДГА, по всей вероятности, не снимало полностью токсического действия Мп , о чем свидетельствовало небольшое снижение ' содержания суммы всех цитохромов, а также суммы цитохромов

г+ъ559 й питохрома ъб в ш варианте опытов по сравнению с I вариантом.

Дитохрошше компоненты хлоро пластов растений, получивших избыток М п, характеризовались также несколько большей степенью окисленности по сравнению с I вариантом! что илдюстритгоет-ся данными таблицы 8.

Таблица 8

Содержание окисленных цитохромных компонентов (в процентах от сушарного содержания всех цитохродав)

II опыта —г ! I ! 2 Г ! 3 ■

. Вариант * I ! п 1 Ш ) 1-1 П . ! И ! г ! п1 Ш

% ее 84 73 67 81 65 70 87 62

ЗАШЖШЕ

На основании.представленного в работе материала южно сделать следующее заключение: , ,

Нарушение осилена железа в растении, вызванное присутствием токсических доз марганца в питательном растворе, сопровождается определенными изменениями в ЭТЦ фотосинтеза. Для них характерно менее эффективное включение в цепь Ре-содержащих переносчиков электронов, очевидно, цитохрома £ ; одновременно возрастает доля участия в первичных реакциях фотосинтеза Си -протеидов, в частности, пластоцианина. Изменяется такие соотношение цитохромных ком-

понентов Хорошастов - £» ь£, и ь559~ и увеличивается степень их окислешюста.

Внесение в питательный раствор ЕДТА на фоне высоких доз марганца частично восстанавливает структуру ЭТЦ Лото синтеза; фотохимическая активность хлоропластов растений варианта с ЕДТА достигает уровня, полученного для контрольных растений (нормальная питательная смесь), доля участия Си -протеидов в первичных реакциях фотосинтеза в хлоропластах растения, выросших в присутствии комплексов , п готптролышх растениях такке практичес.та не различается. ¿:лзст'; с тем, добавление в плтательный раствор кскплзасо-

не снимает полностью токсического действия и рас-текдя, ломчпвине одновременно с избитко" марганца ЕД1А, сохраняв ^ г<с;:т_ метаболизма тканей с парушечннм обменом железа; в них .овжено количество плаетоцяашша и ферредоксива и снижено содержание отдельных цптохромов.

С целом, результаты исследований подтверждают вывод о том, что полоненяо о лабильности биологических систем носит характер огЯчсЯ закономерности,

СПИСОК РАБОТ, ОПШИКОЗАННЫХ ПО МАТЬШАЛАУ ДИССЕРТАЦИИ

1. Еогова Е.П., Чернавина И.А., 1972.

Влияние мед ьхе латаруоцих веществ на циклическое фотофосфо-рллирование растений овса с различным содержанием хлорофилла. ДАН СССР, Щ., Je 2, 483.

2. Чернавина Й.А., Жогова Е.П., Никифорова Т.Д., 1973.

Пластоциаиан и цитохром^в электронно-транспортной цепи фотосинтеза хлоропластов растений овоа. Физиология растений. 20. 5, .

3. Чернавина H.A., Рогова Е.П., Матуо В.К.

Цитохромные компоненты хлоропластов растений, выращенных в условиях избытка марганца, Научн. докл. высш школы, в печати.

ПОЯП. К ПЕЧАТИ 13/Х№273 Г. ФОРМАТ 60x80/10 ФИЗ.П.Л. 1,5. УЧ.-ИЗГЛ. 1,0. ЗАКАЗ 2383. ТИР. 300

отпечатано на ротапринтах в тип, иэл, мгу

МОСКВА, ЛЕНГОРЫ