8.4.2.2. Последствия обезвоживания клеток

Потеря воды клетками при внеклеточном образовании льда приводит к умень­шению объема протопластов и концентрированию содержащихся в них веществ, некоторые из них при повышенных концентрациях становятся токсичными для клеток. К таким веществам относятся неорганические ионы, например Na⁺ и Сl , активные формы кислорода и ряд органических соединений. Увеличение внутриклеточных концентраций ионов и накопление токсичных соединений в свою очередь приводит к изменениям конформации биополимеров, а в наибо­лее острых случаях — к денатурации белков. При этом может происходить об­разование или разрыв ковалентных связей в белках. Одним из наиболее часто встречающихся эффектов такого рода является окисление SH-групп и образо­вание дисульфидных связей между различными участками полипептидной цепи или различными цепями.

Дегидратация клеток оказывает непосредственное действие на структурное состояние липидов мембран. Мембраны в норме связывают до 30 — 50 % воды (в расчете на их сухую массу). Взаимодействуя с заряженными и полярными груп­пами белков и фосфолипидов, вода стабилизирует структуру мембран. Дегидра­тация вызывает обратимые и необратимые (в зависимости от степени дегидрата­ции) нарушения мембранных структур (рис. 8.28). На начальной стадии потери воды мембраной липиды переходят из жидкокристаллического в гелеобразное состояние (L_α→L_β). При более сильной дегидратации, когда остается не более 20 % воды, липиды переходят в гексагональную форму (L_β→H_II). В мембранах клеток, устойчивых к высушиванию, гексагональная форма не образуется даже когда остается 2 — 11% воды.

Рис. 8.28. Фазовые переходы липидов мембран при изменениях температуры и содержа­ния воды в клетках:

L_α — ламеллярная форма в жидкокристаллическом состоянии; L_β — ламеллярная форма в твер­дом, гелеобразном состоянии; Н_II — гексагональная форма

Изменения структуры мембран в ответ на потерю ими воды при внеклеточном образовании льда могут накладываться на эффек­ты, вызванные непосредственными температурными сдвигами. Дегидратация липидов повышает температуру фазового перехода L_α→L_β, т. е. термотропный переход из жидкокристаллического состояния в гелеобразное при дегидратации мембраны осуществляется при более высокой температуре. Можно сказать, что неблагоприятное действие низкой температуры при дегидратации усиливается. При быстром замораживании выделенных протопластов ржи при -10 °С, которое сопровождалось потерей ими воды, в липидах мембран происходило образование H_II-фазы. При медленном снижении температуры до -10 °С вода в протопластах сохранялась, и они переходили в переохлажденное состояние (см. подразд. 8.4.2.3). Образования H_II -фазы при этом не наблюдалось. Повыше­ние осмотического давления среды, в которой находились переохлажденные протопласты, путем внесения в нее сорбитола сопровождалось выходом воды из протопластов и образованием H_II -фазы. При этом утрачивалась осмотичес­кая реакция протопластов. Процент гибели протопластов коррелировал с чис­лом участков мембраны, находящихся в гексагональной фазе. Следует отме­тить, что акклимация растений к отрицательным температурам (закалка) сни­жает температуру перехода мембранных липидов в гексагональную фазу. У про­топластов, выделенных из закаленных растений, даже при

-35 °С в мембранах почти не было участков, содержащих H_II -фазу.

Сильная дегидратация может стать причиной нарушения связи между липидами и белками мембран. При внеклеточном образовании льда, особенно у неустойчивых к замораживанию растений, в мембранах появляются участки, не содержащие белков. В переохлажденных клетках лишенные белков участки отсутствуют (см. подразд. 8.4.2.3), указывая на то, что потеря белков связана не столько с влиянием низкой температуры, сколько с дегидратацией клеток.

К наиболее общим эффектам обезвоживания клеток, наблюдаемым у многих растений при действии низких температур, засухи и почвенного засоления, от­носится деградация фосфолипидов мембран вследствие активации фосфолипазы D. Роль активатора играют ионы Са²⁺, концентрация которых в клетках не­контролируемым образом повышается при деструктивных изменениях клеточ­ных мембран. Расщепление фосфолипазой D фосфатидилхолина стимулирует образование перекисных соединений липидов свободнорадикальной природы, накопление малонового диальдегида и других токсичных соединений (см. подразд. 8.6).

Перечисленные выше изменения в белках и липидах вызывают различного рода нарушения метаболизма и один из них — подавление биохимической и фотохимической активности хлоропластов. В частности, снижается скорость ассимиляции углерода и фотофосфорилирования. Подавление фотофосфорилирования связано с увеличением протонной проводимости тилакоидов и сни­жением АТФ-синтазной активности. Сниженное содержание воды и высокие концентрации ионов в клетках ведут к потере тилакоидами сопрягающего фак­тора АТФ-синтазы CF₁ и пластоцианина. При отделении CF₁ открывается АТФ-синтазный канал; это ведет к увеличению Непроводимости мембраны, сни­жению генерируемой в ходе переноса электронов Δ и соответственно к сни­жению уровня синтезируемого АТФ. Такой эффект наблюдается при отрица­тельных и низких положительных температурах, а также при засухе и почвен­ном засолении. Следует отметить, что осмолиты, в частности сахара и поли­спирты, защищают тилакоиды. Они предотвращают отделение CF₁ от CF₀, поддерживая этим низкую Непроводимость тилакоидов и, следовательно, вы­сокий уровень сопряжения переноса электронов и фотофосфорилирования.

При дегидратации клеток, вызванной образованием внеклеточного льда, и последующем оттаивании возрастает проницаемость плазмалеммы для ионов и ряда органических веществ. Тонопласт при этом тоже, как правило, повреж­дается. Об этом свидетельствует возросший экзоосмос веществ, содержащихся в вакуоли.