4. Физиологические основы устойчивости

Живые системы обладают удивительным свойством сочетать устойчивость, т. е. относительную стабильность, при изменяющихся условиях среды (гомеостаз) и подвижность, т. е. приспособление к этим условиям. В случае воздействия неблагоприятных факторов реакция растения носит двухфазный характер. В первой фазе наблюдаются значительные отклонения в физиолого-биохимических процессах, во второй фазе (репарации) нарушенные процессы возвращаются к норме или же наступает их стабилизация на новом уровне. Именно во второй фазе либо происходит адаптация организма к новым условиям существования, либо страдание организма усиливается, наступает гибель. При медленном развитии неблагоприятных условий организм легче приспосабливается к ним. Это может даже привести к повышению устойчивости организма (закаливание). В целом реакция растения на изменившиеся условия является комплексной, включающей изменения как биохимических, так и физиологических процессов. Необходимо отметить, что различные неблагоприятные воздействия могут вызывать сходные неспецифические физиологические изменения. В связи с этим в некоторых случаях организм обладает устойчивостью сразу к ряду неблагоприятных факторов. Вместе с тем отдельные факторы оказывают специфическое влияние. В силу этого последнего обстоятельства растительный организм может быть устойчив к одному воздействию и неустойчив к другому. По-видимому, одной из первых реакций на неблагоприятное воздействие является изменение свойств мембран, нарушается их целостность, что, в свою очередь, приводит к многочисленным изменениям в метаболизме организма.

Устойчивость растений против неблагоприятных условий имеет разный характер. Она может быть основана на том, что организм тем или иным путем избегает их воздействия. Например, одни растения запасают воду (кактусы) и тем самым избегают обезвоживания при засухе, другие растения, с очень коротким вегетационным периодом (эфемеры), приурочивают жизнедеятельность ко времени выпадения осадков. Значительно большее значение имеет устойчивость, основанная на выносливости клеток растений, т. е. способности в процессе адаптации перестраивать как скорость, так и направление метаболических реакций таким образом, чтобы и в изменившихся условиях среды вырабатывать все необходимые продукты.

Из неблагоприятных условий, которые вызывают стресс у растительных организмов, наиболее часто встречающимися являются недостаток воды, высокая температура, низкая температура, высокая концентрация солей.

6. Стрессовые белки растений

Стрессовые белки выявлены практически во всех компартментах растительной клетки. Применение молекулярно-биологических методов позволило установить, что стрессовые белки растений гомологичны стрессовым белкам других эукариот. Их локализация в различных компартментах — ядрах, пластидах, митохондриях, эндоплазматическом ретикулуме, рибосомах, цитоплазме — свидетельствует об их существенной роли в важнейших биохимических процессах.

1. Белки высокотемпературного шока

Жаростойкость достигается рядом приспособительных изменений метаболизма, в том числе возрастание вязкости цитоплазмы, увеличение содержания осмотически активных веществ, органических кислот, связывающих аммиак. Устойчивые к высокой температуре растения способны к синтезу более жароустойчивых белков-ферментов. На организменном уровне жароустойчивость связана с приспособлениями, направленными на уменьшение освещенности путем свертывания листьев или уменьшения их величины. При высоких температурах в клетках синтезируются специфические белки, толерантные к перегреву, и поэтому называемые белками теплового шока (БТШ).

Наиболее досконально на сегодня исследованы БТШ. Как известно, под действием высоких температур, помимо гранул теплового шока синтезируются новые растворимые белки. Классификация БТШ основана на особенностях кинетики синтеза и пространственного распределения белков, образующихся под действием теплового шока . Была предложена классификация, согласно которой класс А включает только растворимые белки с молекулярной массой основных полипептидов 95 и 80 кД, класс В — белки, связанные с гранулами на 5–10 % (70 и 68 кД), класс С — на 30–80 % (21, 17 и 15 кД), класс Д — минорные БТШ, идентифицированные исключительно в связанном состоянии. БТШ способны формировать класс-специфичные додекамеры с мол. массой 210–280 кД, которые образуют гранулы теплового шока (ГТШ). Последующие исследования, согласно которым основные классы БТШ различают по величине их молекулярных масс, а именно семейства БТШ 100, 90, 70, 60 и низкомолекулярные БТШ (от 17 до 30 кД), дополнили предложенную ранее систему.

Внутриклеточный механизм включения генома клетки в формирование реакции на стрессовое воздействие до конца не исследован, однако уже сегодня известно, что основными инициаторами синтеза БТШ являются неправильно модифицированные или денатурированные полипептиды и белковые агрегаты, возникающие вследствие негативной нагрузки.

Синтез БТШ - стрессовая программа, включаемая тепловым шоком. Он происходит при подъеме температуры на 8-10⁰ С выше нормальной. Например, у широко применяемого в генетических и физиологических исследованиях растения арабидопсис (резушка Таля - Arabidopsis thaliana), с малым размером генома, синтез БТШ происходит при температуре 28-37⁰ C, в листьях ячменя максимум синтеза БТШ достигается при 40⁰ C, а в листьях риса - при 45⁰ С. Необходимо заметить, что индукция синтеза отдельных представителей БТШ может различаться по температуре нагрева и его продолжительности. В результате можно различить ранние и поздние БТШ.

Переключение нормальной жизни клетки на стрессовую программу - событие чрезвычайное, которое осуществляется одновременно на многих уровнях регуляции. Оно включает в себя репрограммирование генома - тормозится экспрессия генов, активность которых характерна для жизни клетки в нормальных условиях, и активируются гены теплового шока. В результате в клетках растений, как и дрозофилы, мРНК, кодирующие БТШ, обнаруживаются через 5 мин от начала стресса. Тепловой шок вызывает не только репрограммирование генома и, следовательно, изменение состава вновь синтезируемых мРНК, но и репрограммирование рибосом - распад полисом, синтезирующих белки, типичные для нормальных условий обитания, и формирование полисом, синтезирующих БТШ. Такое стремительное включение синтеза БТШ не только на транскрипционном (синтез РНК на ДНК), но и на трансляционном (синтез белка на мРНК) уровне достигается в результате многих событий. Тепловой шок (ТШ) вызывает изменения в мРНК, синтезированных в клетке до шока, происходит модификация белковых факторов трансляции и рибосомных белков. Кроме того, мРНК БТШ имеют отличия от мРНК обычных белков. Все это обусловливает ослабление, а затем и прекращение синтеза обычных белков в клетках и переключение аппарата белкового синтеза на синтез БТШ. В результате БТШ обнаруживаются в клетках уже через 15 мин после начала теплового шока, их синтез активируется, достигая максимума за 2-4 ч ТШ, а затем начинает ослабевать.

Включение генов БТШ при высокой температуре определяется регуляторными элементами генов БТШ (РЭ БТШ), то есть специфическими нуклеотидными последовательностями ДНК в промоторной (регуляторной) зоне этих генов. РЭ сходны у генов разных представителей БТШ и обладают высокой гомологией у всех эукариот. Например, в промоторе гена БТШ70 кукурузы обнаружены два таких РЭ, близких РЭ БТШ70 дрозофилы. Это говорит о том, что не только структура БТШ, но и механизм включения их синтеза сохранил постоянство в эволюции.

РЭ ТШ включают гены БТШ после взаимодействия со специфическими регуляторными белками - факторами транскрипции или трансфакторами этих генов. Эти трансфакторы присутствуют в цитоплазме при нормальных условиях. Тепловой шок вызывает их модификацию, например увеличивается их фосфорилирование, после чего они приобретают способность взаимодействовать с РЭ генов БТШ и тем самым включать активность этих генов. К настоящему времени выявлены некоторые различия в механизмах активации тепловым шоком трансфакторов генов БТШ далеких эволюционно организмов. Однако важнее подчеркнуть принципиальную общность этих механизмов у всех эукариот. Лучше всего об этом говорит следующий факт. Введение в геном растительной клетки генетической конструкции, содержащей чужеродный репортерный ген (от "репортер" - дающий информацию), под контролем РЭ гена БТШ70 дрозофилы вызывало экспрессию этого репортерного гена при тепловом шоке в клетках растения. Следовательно, трансфактор генов БТШ, присутствующий в цитоплазме растительной клетки, узнавал в условиях теплового шока РЭ гена БТШ70 дрозофилы и включал экспрессию репортерного гена.

После окончания теплового шока синтез БТШ прекращается и возобновляется синтез белков, характерных для клетки в нормальных температурных условиях. При этом мРНК БТШ быстро разрушаются в клетках при нормальной температуре, тогда как сами белки могут сохраняться существенно дольше, обеспечивая, по-видимому, повышение устойчивости клеток к нагреву. Длительное пребывание клеток в условиях ТШ обычно также приводит к ослаблению и прекращению синтеза БТШ. В этом случае включаются механизмы регуляции экспрессии генов БТШ по принципу обратной связи. Накопление в клетках БТШ выключает активность их генов. Возможно, таким путем клетка поддерживает количество БТШ на необходимом уровне, препятствуя их сверхпродукции.

БТШ были открыты в 1962 г. у дрозофилы, потом у человека, затем у растений (1980 г.) и микроорганизмов. БТШ помогают клетке выжить при действии температурного стрессора и восстановить физиологические процессы после его прекращения. БТШ образуются в результате экспрессии определённых генов. У сои показано, что при температуре от 25 до 40°С синтезируются специфические мРНК, а через 3—5 мин после повышения температуры появляются белки. Клетки, способные к образованию таких белков устойчивы к высоким температурам. Некоторые из этих БТШ синтезируются не только при повышенной температуре, но и при других стресс-факторах, например, при недостатке воды, низких температурах, действии солей. Показано, что после действия одного стрессора клетки становятся устойчивыми к другим. Так, томаты после 48-часового действия 38°С выдерживали температуру 2°С 21 сутки.