Биологические антифризы.

В клетках некоторых растений синтезируются высокомолекулярные соединения, тормозящие процессы роста кристаллов льда. Эти соединения получили название биологических антифризов. Антифризы можно выделить экстракцией из межклеточного пространства. Сведения об антифризной активности внутри клеток отсутствуют, поэтому считается, что они препятствуют внеклеточному образованию льда, особенно в тех органах и тканях, чьи клетки должны сохранить максимальное количество воды и находиться в переохлажденном состоянии (почки и меристемы).

Известны антифризы белковой, гликопротеиновой и полисахаридной природы. Считается, что действие антифризов основано на наличии в их молекулах большого числа полярных группировок. Таким образом, возможно, с помощью антифризов осуществляется блокада роста кристаллов льда.

Накопление сахаров и других совместимых осмолитов.

Регуляция осмотического давления в клетках при холодовой дегидратации осуществляется преимущественно за счет биосинтеза низкомолекулярных органических соединений, которые получили название осмолитов. Они хорошо растворимы в воде, нетоксичны, не вызывают изменений в метаболизме, отчего и получили второе название совместимых веществ. Это могут быть моно - и олигосахариды, многоатомные спирты, аминокислоты, бетаины, амины и белки.

Наряду с осморегуляцией совместимые вещества выполняют еще одну очень важную при дегидратации функцию. Эта функция может быть определена как защитная (протекторная) по отношению к биополимерам цитоплазмы. Подчеркивая двойную роль осмолитов, их часто называют криопротекторами (греч. kryos – холод, лат.protector – покровитель, защитник).

Наиболее известны такие криопротекторы, как диметилсульфоксид (ДМСО), различные сахара, глицерин, этиленгликоль, пролин. Криопротекторы, синтезируясь в клетках при пониженных температурах, могут предотвратить или резко замедлить рост кристаллов льда.

Таким образом, гидрофильные белки, моно - и олигосахариды, обладающие криопротекторным эффектом, способны связывать значительные количества воды. Связанная таким образом вода уже не замерзает и не транспортируется. Белки и углеводы, обладающие криопротекторным эффектом, способны стабилизировать другие белки и клеточные мембраны при дегидратации клеток, инициированной низкими температурами. Считается, что осмолиты стабилизируют гидратные оболочки биополимеров.

Изменение состава мембранных липидов и текучести мембран.

Дегидратация клеток оказывает непосредственное действие на структурное состояние липидов мембран. Мембраны в норме связывают до 30-50 % воды клетки. Взаимодействуя с заряженными и полярными группами белков и фосфолипидов, вода стабилизирует структуру мембран.

Основной причиной повреждающего действия низких температур на клетки является нарушение функционирования клеточных мембран из-за их затвердевания, связанного с фазовыми переходами, поскольку при достаточно низких температурах липидные бислои ведут себя, как твердые тела. При температуре выше фазового перехода структура бислоя сохраняется, при этом жирные кислоты «плавятся», в результате чего вращение и скручивание молекул происходит легче, чем при низких температурах.

Различная реакция на низкие температуры определяется в первую очередь различиями в составе жирных кислот, входящих в состав мембранных фосфолипидов. Когда в фосфолипидах велико содержание насыщенных жирных кислот (таких как пальмитиновая и стеариновая), для таких мембран характерны более высокие температуры фазового перехода. При этом они становятся менее текучими, что нарушает функционирование многих белков - каналов, переносчиков, рецепторов, ферментов и т. п. Выявлено, что увеличение количества ненасыщенных жирных кислот (таких как линоленовая и линолевая) в составе мембран приводит к снижению температуры фазового перехода мембранных липидов и, как результат, увеличивается текучесть таких мембран. Известно, что замену в липидах насыщенных жирных кислот на ненасыщенные осуществляют ферменты десатуразы. Активность этих ферментов, а также экспрессия кодирующих их генов резко возрастает в ответ на действие низких температур.

Сильная дегидратация может стать причиной нарушения связи между липидами и белками мембран. При внеклеточном образовании льда в мембранах появляются участки, не содержащие белков.

Таким образом, главной мишенью криоповреждений клеток растений является плазмалемма.

Изменения в составе и структуре белков в ответ на холодовой стресс и синтез de novo стрессовых белков холодового ответа.

В формирование механизмов устойчивости клеток вовлечены белки, выполняющие различные функции. Многие из них синтезируются de novo как ответная реакция на действие низких температур. Эти белки получили название белков холодового шока (БХШ), значительная часть их выделена, однако функции недостаточно изучены. Предполагается, что они могут поддерживать структуру биополимеров в условиях водного дефицита, или представляют собой ферменты, адаптированные к низким температурам.

В настоящее время идентифицированы несколько генов и кодируемые ими белки холодового ответа, которые обозначаются как COR –белки (cold – responsive proteins – белки холодового ответа). Кодируемые этими генами белки крайне гидрофильны. Они повышают криоустойчивость плазмалеммы и хлоропластных мембран. Повышение устойчивости к низким температурам организма зависит от одновременной «работы» всего семейства COR- генов.

Часть индуцируемых белков защищает биополимеры цитоплазмы и клеточные структуры от повреждений, вызванных дегидратацией. К ним относятся LEA – белки (late embryogenesis abundant – белки, часто встречающиеся в позднем эмбриогенезе) и белки-дегидрины. Принадлежащие к этим семействам белки синтезируются при созревании семян, водном дефиците, обработке растений АБК. Они обладают необычным свойством: способны сохранять свою структуру при резких колебаниях температуры, очень прочно удерживать воду, стабилизируя другие белки и клеточные мембраны при дегидратации.

Стрессовые условия активируют также биосинтез белков-шаперонов, протеаз и убиквитинов в клетках.

АБК.

Важная роль в адаптации клеток растений к низким температурам принадлежит фитогормону АБК (абсцизовая кислота). На многих растениях из разных систематических групп показано увеличение содержания АБК при пониженных температурах, причем у разных видов степень увеличения была различна. Холодовая дегидратация сопровождается значительным повышением концентрации гормона в растительных тканях и синтезом в них новых белков. Активность многих генов и белков, которые экспрессируются при низкой температуре или водном дефиците, может быть индуцирована обработкой АБК.

Таким образом, накопление АБК в ткани при пониженной температуре приводит к экспрессии ряда генов и появлению криопротекторных белков.