8.4. Изменения температурных условий

Важная роль температуры во взаимоотношениях организма и среды проявляется на всех уровнях его структурной и функциональной организации. Температурные сдвиги приводят к изменениям структуры биополимеров, а, следовательно, и к изменениям скоростей биохимических реакций и физиологических процессов. От температуры в конечном счете зависит выживаемость организма, а географическое распределение видов на Земле происходит в соответствии с температурными градиентами.

8.4.1. Поддержание метаболической активности и структурной целостности биополимеров при изменении температурных условий

Растения относятся к эктотермным (пойкилотермным) организмам, т.е. организмам, не способным поддерживать температуру своих органов и тканей на постоянном уровне. Этим они отличаются от эндотермных (гомойотермных) организмов, сохраняющих постоянство температуры тела (млекопитающие и птицы). Из этого следует, что у растений приспособления к изменяющимся температурным условиям не связаны со стратегией избежания, а основаны на механизмах резистентности. Следует, однако, отметить, что в растительном мире эндотермные механизмы могут встречаться в зачаточной форме (см. раздел 8.4.3.).

Эктотермные организмы, в том числе растения, способны модифицировать биополимеры своих клеток таким образом, чтобы компенсировать изменения метаболизма, вызываемые температурными сдвигами. Новые разновидности макромолекул появляются в ходе акклимации растений к изменившейся температуре. Модификации макромолекул могут происходить также в эволюционном масштабе времени, т.е. при адаптации к новым температурным условиям. За счет модификаций биополимеров, происходящих в ходе эволюции, растениям различных климатических зон удается поддерживать относительно одинаковую интенсивность метаболизма. К такого рода модификациям биополимеров относится образование новых разновидностей ферментов с измененной каталитической активностью. При этом изменения в эффективности катализа направлены на компенсацию температурозависимых изменений скоростей реакций.

Поддержание скорости реакции на должном уровне может осуществляться не только за счет появления новой разновидности молекулы фермента, но и за счет изменения его содержания в клетке.

Помимо температурозависимых модификаций ферментов известны температурозависимые модификации липидов, связанные с изменениями их текучести. От состояния мембранных липидов зависит каталитическая активность локализованных в мембранах ферментов.

8.4.1.1. Компенсация температурных эффектов путем изменения свойств ферментов.

С увеличением температуры скорости ферментативных реакций возрастают. Зависимость скорости реакции от температуры носит экспоненциальный характер, что описывается уравнением Аррениуса:

(3),

где k – константа скорости реакции, G^*- энергия активации реакции, R – газовая постоянная, T – абсолютная температура, A – коэффициент пропорциональности.

Из уравнения (3) следует, что энергия активации G^*, наряду с температурой, является параметром, определяющим скорость реакции. Скорость реакции тем выше, чем ниже G^*. Функция ферментов состоит в снижении энергии активации ферментативных реакций. Более эффективный фермент снижает энергию активации до более низкого значения.

У эктотермных организмов, обитающих при пониженных температурах, ферменты характеризуются более эффективным катализом, т.е. более низкими значениями G^* реакций. У эктотермных организмов, обитающих в условиях теплого климата, наоборот, ферменты менее эффективны, т.е. G^*, катализируемых ими реакций, имеют более высокие значения. Энергии активации ферментативных реакций изменяются также при акклимации организмов к новым температурным условиям. В случае понижения температуры G^* снижаются, тогда как, при повышении – возрастают. Таким образом, энергия активации той или иной ферментативной реакции не является величиной постоянной. Она изменяется в соответствии с температурными условиями среды обитания. Это положение получило обоснование при изучении каталитических свойств ферментов, выделенных из холодоустойчивых и теплолюбивых организмов, а также организмов, акклимированным к различным температурам условиям. Изменения каталитических свойств ферментов, т.е. их энергий активации, являются одним из важнейших типов приспособительных реакций к изменяющимся температурным условиям и происходят в результате модификаций молекул ферментов.

В ходе ферментативной реакции происходят конформационные изменения фермента. Они сопровождаются разрывом или образованием слабых связей (водородных, электростатических, вандерваальсовых и гидрофобных), что происходит с освобождением или поглощением энергии. Именно в этих энергетических сдвигах, связанных с изменением конформации, кроются различия в величинах энергий активации ферментативных реакций.

В случае фермента с более гибкой структурой для конформационных изменений при катализе требуется меньше энергии. Фермент с жесткой структурой не способен претерпевать конформационные изменения. Он был бы стабильным и долговечным, но нереакционноспособным. Фермент может сохранять свою структурную целостность и в то же время функционировать, когда есть равновесие между стабильностью и гибкостью. Ферментам организмов, приспособленных к высоким температурам, необходимо поддерживать более жесткую структуру, чтобы сохранять свою структурную целостность и функциональную активность. Для ферментов организмов, приспособленных к низким температурам, необходима повышенная гибкость.

Стратегия приспособления к тому или иному температурному диапазону состоит в изменении числа (или типа) слабых взаимодействий в молекуле фермента. Приспособление к более высоким температурам связано с приобретением одной или нескольких дополнительных слабых связей. Дополнительные связи приводят к повышению термостабильности белка и в то же время снижают его каталитическую эффективность (увеличивают G^*). Разновидности ферментов, осуществляющие эффективный катализ при изменении температурных условий, появляются в результате модификаций его первичной структуры.

Другим типом приспособительных реакций растений к изменяющимся температурным условиям является поддержание при температурных сдвигах относительно постоянного отношения между константой Михаэлиса (K_M) и концентрацией субстрата [S]. K_M для субстрата должна поддерживаться в пределах, приблизительно соответствующих середине диапазона физиологических концентраций субстрата. При таком соотношении K_M и [S] используется значительная часть каталитического потенциала фермента и в то же время фермент далек от состояния насыщения субстратом, т. е. сохраняет резерв для ускорения реакции в ответ на повышение концентрации субстрата или регуляторные сигналы.

Как показали эксперименты на выделенных ферментах, изменения температуры приводят к изменениям K_M. Константа Михаэлиса растет при повышении температуры. Вместе с тем, у организмов как растительного так и животного происхождения, обитающих при различных температурных условиях, K_M ферментов и концентрации их субстратов в клетках очень мало различаются. Относительное постоянство K_M и [S] поддерживается и при акклимации организма к изменившейся температуре. Известно два пути поддержания постоянства K_M: (1) за счет изменений в первичной структуре белка, (2) за счет изменения среды, в которой фермент функционирует.

Изменения первичной структуры белка, приводящие к изменениям G^* и K_M, могут происходить в эволюционном масштабе времени и приводить к появлению новых форм белка и, соответственно, новых конститутивных признаков (адаптация). Новые разновидности фермента с кинетическими свойствами, отвечающими новым температурным условиям, могут появляться также в результате индукции стрессовых генов при акклимации растения к температурному сдвигу. Они могут появляться даже тогда, когда температура среды колеблется в пределах всего лишь 6^о – 8^оС. Поскольку многие растения обитают в средах, где сезонные и даже суточные колебания температуры превышают 6^о – 8^оС, фермент, представленный только одной формой, не мог бы функционировать во всем диапазоне температур. Нужны две или больше разновидности фермента. Такими разновидностями являются изоферменты. Изоцитратдегидрогеназа, например, существует в виде целого семейства изоферментов, каждый из которых функционирует в узком температурном диапазоне. Известна сезонность в появлении множественности форм ферментов.

Поддержание относительно постоянного отношения K_M/[S] часто связано с изменением pH среды, в которой фермент функционирует. Хорошо известно, что при повышении температуры в клетках растений происходит снижение pH цитоплазмы. Это снижение компенсирует изменения K_M, индуцированные температурными сдвигами, у ряда ферментов.