1.1.2. Глюконеогенез в растениях

Растение как целостный организм представляет собой сложную саморегулирующуюся систему с взаимозависимыми путями превращения метаболитов. Функционирование и регуляция такой системы обусловлены организацией и биогенезом ферментных комплексов, катализирующих протекание реакций того или иного метаболического пути. Наряду с метаболическими путями, имеющими первостепенную важность в течение всей жизни растений, существуют процессы, протекающие только в определенные периоды онтогенеза.

Глюконеогенез – это процесс превращение запасных жиров в углеводы. Мобилизация липидов является жизненно важным процессом для прорастания, голодания и старения растений. Превращение жиров в углеводы происходит при прорастании семян масличных растений, спор папоротникообразных, а также во время старения листьев Lycopersicon esculentum, при росте Brassica napus и Arabidopsis, во время развития пыльцевых трубок [Lorenz M.C., The glyoxylate cycle is required for fungal virulence/ Lorenz M.C., Fink G.R. // Nature, – 2001 – Vol. 412 – P. 83–86.]; [Schaik van E. J. Burkholderia pseudomallei Isocitrate Lyase Is a Persistence Factor in Pulmonary Melioidosis: Implications for the Development of Isocitrate Lyase Inhibitors as Novel Antimicrobials/ E. J. van Schaik, M. Tom, D. E. Woods // Infection and Immunity – 2009 – Vol. 77, №10 – P. 4275–4283.]. Два первых этапа данного процесса локализованы в глиоксисомах, цикл трикарбоновых кислот – в митохондриях, а последующие два этапа – в растворимой части цитоплазмы.

При прорастании семян запасные жиры, являющиеся водонерастворимыми, превращаются в углеводы, которые хорошо растворяются в воде, что обеспечивает возможность дальнего транспорта запасных веществ к местам утилизации, где они участвуют в процессах биосинтеза клеточных компонентов. Глиоксилатному циклу принадлежит ключевая роль при глюконеогенезе, поскольку именно наличие ферментов глиоксилатного цикла – изоцитратлиазы и малатсинтазы – обеспечивает протекание этого процесса.

Янтарная кислота, образующаяся в глиоксилатном цикле, используется в дальнейших реакциях глюконеогенеза, а также для регенерации и последующее его окисление до малата и оксалоацетата показаны, в частности, на примере эндосперма клещевины [Malhotra O. P. Isolation and characterization of isocitrate lyase of castor endosperm / O. P. Malhotra, P. K. Srivaslava // Arch. Biochem. and Biophys. – 1982. – Vol. 214, №1. – P. 164-171.]. Последующие две стадии глюконеогенеза, протекающие в цитозоле, изучены пока слабо.

Превращение фосфоенолпирувата в глюкозо-1-фосфат, являющегося ключевым промежуточным соединением в биосинтезе сахаров и полисахаридов, происходит путем обращения части гликолитической последовательности. В связи с тем, что запасные жиры семядолей и других жирозапасающих тканей находятся в особых тельцах – олеосомах, должна иметься тесная связь между олеосомами и глиоксисомами. Эти органоиды не являются производными эндоплазматической сети. Шопфер и др. показали, что имеется тесная связь между мембранами олеосомы и глиоксисомы [Siddiqui A. A. Cloning and expression of isocitrate lyase from human round Strongyloides stercoralis / A. A. Siddiqui, C. S. Stanley, S. L. Berk // Parasite. – 2000. – Vol. 7. – P. 233–236.]. В ряде случаев глиоксисома частично «покрывает» олеосому и только тонкий цитоплазматический слой остается между ними. Подобная близость олеосомы и глиоксисомы, по-видимому, обеспечивает стерически благоприятное состояние для транспорта жирных кислот. Вигил обнаружил, что в клетках эндосперма клещевины глиоксисомы могут располагаться в большом количестве на поверхности более крупных по размеру липидных тел – олеосом [Firenzuoli A.M. Enzymes of glyozylate cycle in conifers / A. M. Firenzuoli, P. Vanni, E. Mastronuzzi // Plant Physiol. – 1968. – Vol. 43, №7. – P. 1125–1128.].

Кислая липаза гидролизует три-, ди- и моноглицериды, в то время как щелочная липаза расщепляет только моноглицериды. По-видимому, работа этих двух ферментов взаимосвязана. Однако данные о локализации липаз, полученные для клещевины, не подтвердились для других растений. Так, в рапсе (Brassica napus) липаза не обнаружена в верхней фракции градиента, представляющей собой олеосомы, но она присутствовала в мембранной фракции, которая, возможно, содержала мембраны олеосом. Данные, полученные при изучении арахиса (Arachis hypogaea), указывают на то, что щелочная липаза связана с мембраной глиоксисом, а также имеется в митохондриях и пузырьках эндоплазматической сети. Липазная активность не обнаруживалась во фракции олеосом.

В клетках семядолей подсолнечника олеосомы, меньших по размеру, чем у клещевины, облегают глиоксисому. В этих клетках наблюдаются также цитоплазматические инвагинации в глиоксисому, что свидетельствует о тесной взаимосвязи физиологических процессов, происходящих в разных компартментах. Что касается липаз, расщепляющих жиры на глицерины и жирные кислоты, то у некоторых растений их активность не обнаруживается в сухих семенах и появляется при прорастании. Установлено, что они локализованы на мембране олеосом. В эндосперме клещевины кислая липаза находится на мембране олеосомы, в то время как щелочная липаза находится на глиоксисомальной мембране.