8.4.1.5.1 Десатуразы жирных кислот

Десатуразы ЖК образуют семейство ферментов, катализирующих превращение одинарной связи между атомами углерода -СH₂-CH₂- в двойные связи -СH=CH- в ацильных цепях ЖК. Предполагается, что десатуразы связывают трехвалентное железо, которое формирует активный комплекс с атомами кислорода Fe-O-Fe. Реакции, катализируемые десатуразами, называют реакциями десатурации, образующиеся двойные связи между атомами углерода – ненасыщенным связями, а жирные кислоты с несколькими ненасыщенными связями – полиненасыщенными жирными кислотами (ПНЖК). Десатурация требует молекулярного кислорода и протекает в аэробных условиях.

Процесс десатурации осуществляется через сложную цепь биохимических превращений, в котором десатураза подключается на конечной стадии (Рис.8.24.) Суть происходящих превращений состоит в сопряжении окисления ЖК с восстановлением O₂. Из 4-х электронов, требующихся для восстановления O₂ и образования 2H₂O, два электрона поставляются молекулой ЖК, которая при этом окисляется, а источником двух других является NADPH. Перенос электронов от NADPH к O₂ происходит через цепь переносчиков, включающей флавопротеин и ферредоксин. Участвующие в десатурации переносчики электронов локализованы в мембранах эндоплазматического ретикулума (ЭР) или пластид. При этом десатураза может находиться в свободной или мембраносвязанной форме.

Десатуразы делят на несколько типов, в зависимости от того, осуществляют ли они превращение ЖК, находящейся в свободной форме, или в составе липида и от того, какая ЖК используется в качестве субстрата. Десатуразы, использующие в качестве субстратов свободные ЖК, позволяют регулировать липидный состав мембран и, следовательно, их текучесть еще до образования липидов и формирования самой мембраны. Иными словами, текучесть мембраны может определяться еще на стадии предварительного синтеза ЖК. Синтезированные в этом случае ЖК, имеющие определенное число ненасыщенных связей, транспортируются затем к местам встраивания в мембраны. Десатуразы различаются также специфичностью по отношению к положению остатка ЖК на глицериновой молекуле и к позиции десатурации в ацильной цепи.

Липидный состав мембран и степень ненасыщенности ЖК варьируют в широких пределах при изменении температуры, а также других условий, например, интенсивности освещения, водного потенциала и ионного состава среды. Десатуразы у растений играют важную роль в адаптации и акклимации к изменяющимся условиям среды. В настоящее время клонированы гены некоторых десатураз растительного происхождения. Клонирование генов десатураз сделало возможным изучение их экспрессии и роли модификаций липидного состава мембран в приспособительных реакциях. Экспрессия генов ряда десатураз у растений является температурозависимой, что позволяет говорить об их участии в процессах акклимации к изменяющимся температурным условиям. Экспрессия генов других десатураз у растений не зависит от температуры, т.е. является конститутивной. Регуляция экспрессии десатураз осуществляется на транскрипционном уровне. Активация десатурации при снижении температуры сопряжена с накоплением мРНК генов тех десатураз, которые отвечают за синтез ПНЖК. Накопление мРНК этих генов, в свою очередь, приводит к повышению уровня синтеза соответствующих белков и, как следствие, к индукции синтеза ПНЖК. Продукты десатуразных реакций ПНЖК регулируют посредством обратной связи активность десатураз.

У высших растений устойчивость к низким температурам коррелирует со способностью клеток синтезировать ПНЖК. Так, у A. thaliana мутанты по генам fad5 и fad6, дефицитные по синтезу локализованных в хлоропластах десатураз пальмитиновой и олеиновой ЖК, соответственно, характеризуются хлорозом листьев, замедленным ростом и измененной формой хлоропластов при пониженных температурах. У мутанта по гену fad2 при 16^оС снижается скорость роста стебля, а при 6^оC он погибает. Экспрессия Fad7 десатуразы A. thaliana в Nicotiana tabacum приводит к повышению устойчивости семян растений табака к низким температурам. В то же время, блокирование экспрессии Fad7, отвечающего за синтез триеновых (с тремя ненасыщенными связями) ЖК в хлоропластах, позволяет растениям легче приспосабливаться к повышенным температурам. Нарушение функций соответствующих десатураз приводит к изменениям физических свойств мембран, которые выражаются в смещении температуры фазового перехода из жидкокристаллического в гелеобразное состояние в область более высоких температур.

Молекулярные механизмы регуляции экспрессии генов десатураз при изменении температурных условий в значительной степени остаются нераскрытыми, однако, общие принципы такой регуляции понятны уже сейчас (Рис.8.25.). При снижении температуры уменьшается текучесть мембраны. Организм воспринимает это изменение с помощью сенсора, расположенного, по-видимому, в мембране. Сигнал от сенсора передается к регуляторным молекулам или непосредственно воспринимается регуляторными последовательностями генов десатураз. Вследствие этого, индуцируется экспрессия этих генов, что приводит к усиленному синтезу десатураз в клетке и ускорению синтеза ПНЖК в мембранных липидах. В конечном счете восстанавливается исходная текучесть мембран и биохимическая активность связанных с ними систем, в частности, активность ФСI и ФСII в хлоропластах, а также АТФ-синтезирующих комплексов.

Итак, растения, способные синтезировать ПНЖК в повышенных количествах, оказываются более устойчивыми к холодовому стрессу. Напротив, снижение доли ПНЖК в мембранных липидах, приводящее к снижению молекулярной подвижности липидного бислоя, должно вносить вклад в термотолерантность растений. Последнее предположение подтверждается получением трансгенных растений табака, в которых снижена экспрессия хлоропластной десатуразы, отвечающей за образование триеновых ЖК. Полученные растения оказались более устойчивыми к высоким температурам, чем исходные растения.