
- •7.3. Рецепция световых сигналов
- •7.3.1. Принципы фоторецепции
- •7.3.2. Фоторецепция в красной области спектра: фитохромная система
- •7.3.2.1. История открытия фитохрома
- •7.3.2.2. Фотоконверсия фитохрома. Фитохромы а и в
- •7.3.2.3. Этиоляция и деэтиоляция
- •7.3.2.4. Избегание тени
- •7.3.2.5. Регуляция прорастания семян
- •7.3.2.6. Внутренние часы и фитохромная система
- •7.3.3. Фоторецепция в синей области спектра: криптохром и фототропин
- •7.3.3.1. История изучения фоторецепции в синей области спектра
- •7.3.3.2. Криптохром — рецептор синего света, локализованный в ядре и цитоплазме
- •7.3.3.3. Фототропин — мембранный рецептор синего света
- •7.3.3.4. Суперхром — «кентавр с головой фитохрома и туловищем фототропина»
7.3.3. Фоторецепция в синей области спектра: криптохром и фототропин
7.3.3.1. История изучения фоторецепции в синей области спектра
В 1881г. Ч.Дарвин в опытах с фототропизмом у канареечной травы (Phalaris) показал, что экран из раствора бихромата калия, не пропускающий синий свет, полностью снимает эффект фототропизма. В 1883 г. немецкий физиолог растений Ю. Сакс провел опыты с применением цветных стекол и различных растворов, чтобы более полно оценить спектральные характеристики света, вызывающего реакцию фототропизма. В итоге стало понятным, что растение «чувствует» синий свет (красный не вызывал фототропизма).
В дальнейшем эта часть спектра была сужена до 400 — 500 нм. Было показано, что от синего света зависят и другие физиологические ответы: синтез каротиноидов, антоцианов, устьичные движения. Вызванный синим светом ответ невозможно было обратить квантами света с другой длиной волны. Значит, у растений есть еще один фоторецептор, отвечающий за восприятие синей части спектра. Методы, которые применяли для изучения фитохрома, оказались почти неприемлемыми для нового рецептора, выделить и охарактеризовать его не удавалось вплоть до конца XX в. Гипотетический фоторецептор был назван криптохромом (от греч. cryptos — скрытый).
Наложение физиологического спектра действия при фототропизме на спектры поглощения пигментов давало расплывчатые результаты: на роль криптохромов претендовали флавины, птерины и производные каротиноидов. Более того, в синей части спектра есть максимумы поглощения и у фитохромобилина, и у хлорофиллов. По объективным причинам изучение восприятия синего света оказалось сложной проблемой.
В 1993 г. проблему криптохрома смогли решить А. Р. Кашмор и М.Ахмад. Они отобрали среди мутантных растений арабидопсис те, которые давали удлиненный гипокотиль как в темноте, так и на свету. Оказалось, что часть мутантов не реагирует на синий свет (гипокотиль длинный), а на красном свету гипокотили этих мутантов короткие. Очевидно, что фитохромная система работает нормально, а мутанты имеют нарушения в криптохромной системе. Удалось выделить мутации как по биосинтезу хромофора, так и по белковой части криптохрома, клонировать эти гены и получить их полную последовательность.
7.3.3.2. Криптохром — рецептор синего света, локализованный в ядре и цитоплазме
У Arabidopsis криптохромная система представлена двумя белковыми комплексами: CRY 1 и CRY 2. У папоротника Adiantum capillus-veneris обнаружено 5 генов, кодирующих различные криптохомы. Судя по последовательности нуклеотидов, белки криптохромов родственны
ДНК-фотолиазам. Эти ферменты позволяют репарировать сшивки, возникающие в ДНК вследствие облучения ультрафиолетом. ДНК-фотолиаза несет две хромофорные группы: флавин и птерин (или деазафлавин). Восстановление ДНК фотолиазами возможно только в присутствии света.
Криптохромы обладают консервативным участком с двумя карманами для хромофорных группировок и дополнительным участком на С-конце. По-видимому, именно С-концевой домен приводит к изменениям свойств фотолиазы и превращению в фоторецептор (рис. 7.31).
Рис. 7.31. Структура криптохрома:
1 — получение кванта синего света птериновым ядром; 2 — передача возбуждения на ядро флавина; 3 — ответ в форме редокс-реакции; 4 — функциональные домены белковой части криптохрома
Криптохром не может непосредственно восстанавливать ДНК, но первичные акты захвата света у него такие же, как у фотолиазы. Птерин (метенилтетрагидрофолат) функционирует как светособирающий хромофор. При попадании «синего кванта» света возбуждение передается в «реакционный центр» криптохрома — на молекулу ФАД. Наличие двух хромофоров объясняет тот факт, что физиологический спектр действия криптохрома совпадает как со спектром флавинов, так и со спектром птеринов. ФАД в составе криптохрома 1 находится в стабильной семихинонной форме (он частично восстановлен и легко отдает электроны). Семихинон ФАД поглощает не только в синей, но и в зеленой части спектра. Таким образом, физиологический ответ вызывает не только синий, но и интенсивный зеленый свет.
Получив квант света, электрон флавинового ядра возбуждается, т. е. переходит на более высокую орбиталь, и редокс-потенциал резко изменяется. Возбужденный флавин — сильный восстановитель. В настоящий момент существует три гипотезы работы криптохрома. 1. Происходит самовосстановление молекулы криптохрома с изменением ее конформации, что активизирует вторичные мессенджеры. 2. В систему передачи сигнала вовлечен промежуточный редокс-партнер. 3. Партнеру передается не электрон, а возбуждение квантом синего света, и этот квант приводит в действие еще одну хромофорную молекулу. Если эффективного взаимодействия не состоялось, возбужденное флавиновое ядро теряет энергию (флуоресцирует).
На свету криптохром 1 (CRY 1) связывается с фитохромом А, и криптохром фосфорилируется. Очевидно, без фосфорного остатка криптохром не активен. Фитохром А, получив из окружающей среды сигнал о том, что «свет в принципе есть», активизирует систему синего света. Криптохром in vitro взаимодействует с некоторыми фосфатазами, изменяя их активность. Возможно, каскад фосфорилирования/дефосфорилирования — один из механизмов передачи сигнала. Криптохром локализован в ядрах, что неудивительно: он очень похож на ДНК-фотолиазы, которые, по определению, имеют внутриядерную локализацию. Предполагают светозависимый транспорт криптохрома через ядерную мембрану. Вторичные мессенджеры криптохромной системы также располагаются в ядре и участвуют в регуляции экспрессии генов.
Криптохром 2 пока еще недостаточно изучен. Белковая часть молекулы на N-концевом участке похожа на криптохром 1 (соответствует доменам, связывающим хромофоры), отличаются только С-концевые участки. Белок CRY 2 связывает ФАД. При мутациях cry 2 повреждаются ответы на синий свет низкой интенсивности, а если нарушена работа криптохрома 1, то растения не реагируют на высокую интенсивность синего света. Как и в системе фитохромов, у криптохромов есть разделение по функциям: криптохром 1 дает «приблизительный» сигнал (есть много света в синей и соседней зеленой областях), а криптохром 2 сигнализирует более точно (низкая интенсивность синего).
Благодаря спектральным свойствам дополнительного пигмента — птерина, криптохромы поглощают кванты не только синей области, но и из ближнего ультрафиолета (UV-A), поэтому криптохромы рассматривают как возможные УФ-фоторецепторы. Одним из механизмов, защищающих организм от жесткого излучения, является биосинтез антоцианов и каротиноидов. Неудивительно, что их синтез контролируется криптохромами. От криптохромного сигнала зависит экспрессия генов халконсинтазы, халконизомеразы, дигидрофлавонолредуктазы и других ферментов биосинтеза антоцианов. Заметим, что для биосинтеза антоцианов необходимы как фитохромная, так и криптохромная системы.
Криптохромная система участвует в «настройке» внутренних часов в растении и получении фотопериодического стимула, однако она не является главной. Интересно, что у животных (мыши, дрозофилы) также обнаружены криптохромы. У животных криптохромы играют основную роль в фотопериодической регуляции сезонных форм поведения. Криптохромный сигнал замедляет рост гипокотиля (или междоузлий) на свету, помогает фитохрому контролировать процессы деэтиоляции. Обе фоторецепторные системы, действующие в ядерном компартменте, — криптохром и фитохром — в заметной мере дополняют друг друга. Пути передачи сигнала от этих систем, по-видимому, сходятся и взаимодействуют, что приводит к интеграции информации о физиологически важных областях спектра — синей и красной.