ЭТИ ЗАГАДОЧНЫЕ СТРЕССОВЫЕ БЕЛКИ
Клетки всех организмов, от бактерий, животных до
человека, реагируют на неблагоприятные условия окружающей среды,
включая защитные природные механизмы — экспрессию определенных
генов. В результате появляются белки, которые условно называются
стрессовыми. Разгадка механизмов их действия дает ключ к
пониманию процессов жизни.
Галина Киселева, «НВС»
О том, что сегодня известно о стрессовых белках растений
рассказывает заместитель директора по научной работе Сибирского
института физиологии и биохимии растений доктор биологических
наук Геннадий БОРОВСКИЙ.
Что такое стрессовые белки
Стрессовые белки есть почти у всех организмов, которые существуют
на Земле, — и у простейших бактерий, и у человека. Часто они
схожи между собой. Это говорит о том, что эти белки появились в
те незапамятные времена, когда предки млекопитающих, грибов и
растений были одним или близкородственными видами.
Сегодня изучены уже многие тайны их существования, но остается
еще немало загадок. Наш институт имеет приоритеты в изучении
белков холодового шока. Как известно, первоначально были открыты
белки теплового шока (БТШ). Лаборатория физиологической генетики,
которую более 20 лет возглавляет профессор Виктор Войников, ныне
директор СИФИБРа, тоже начала с изучения БТШ. Но, изучая
холодоустойчивость растений нашего северного региона, мы
обнаружили, что ряд их физиологических и биохимических параметров
сильно меняется в ответ на то или иное стрессовое воздействие.
Затем мы выявили, что индуцированные холодом белки связываются с
митохондрией («энергетической станцией» клетки, отвечающей за ее
жизнедеятельность) и играют протекторную роль. Одними из первых
мы показали, что в ответ и на повышение, и на понижение
температуры происходит синтез новых стрессовых белков.
Впоследствии эти работы были развиты и у нас, и за рубежом.
 |
|
Сейчас в нашей лаборатории изучаются в основном стрессовые белки
холодового шока и белки, связанные с приспособлением к холоду. За
рубежом их называют «cold regulated proteins» — «белки,
регулируемые холодом», что не совсем точно. Эти белки можно
разделить на две группы: те, которые быстро реагируют на холод, и
те, которые способствуют адаптации растений к новым условиям.
Исследованы они были на холодочувствительных растениях, например,
кукурузе, и на хорошо адаптирующихся — озимых пшенице, ржи.
Внимание было сфокусировано на нескольких группах белков.
Белок, согревающий клетку
Белок БXШ310 был обнаружен в озимой пшенице и ржи. Приоритет открытия — за
нашей лабораторией. В результате длительного изучения удалось
выяснить его структуру и функции. Оказалось, что важная задача
белка — разобщение, окисление и фосфолирование в митохондриях.
Каждая клетка дышит кислородом, окисляя свои органические
соединения, чтобы получить энергию в виде аденозинтрифосфата
(АТФ). Выяснилось, что при холодовом и других стрессах окисление
происходит, но АТФ синтезируется меньше, чем в обычных условиях — происходит
так называемое разобщение дыхания (окисление
органических веществ) и фосфорилирования (т.е. синтеза АТФ).
Сначала мы думали, что это патологический процесс. Но оказалось,
что он ведет к очень полезным для клетки явлениям, в частности,
снижает количество активных форм кислорода. Тот кислород, которым
мы дышим, практически безопасен, но в процессе дыхания (это общая
черта всех дышащих организмов) образуется активная его форма (до
2-3% от всего количества использованного кислорода), которая
повреждает все, что есть в клетке — мембраны, белки,
наследственный аппарат. Она и является одной из основных причин
как быстрой гибели клетки, так и долговременных последствий,
например, старения.
При стрессе количество активных форм кислорода резко возрастает.
Выяснилось, что разобщение, в котором участвует БХШ310, резко
снижает количество активного кислорода, защищает клетку. Та
энергия, которая не используется для синтеза АТФ, выделяется в
виде тепла — растение «греется». Для некоторых растений это
серьезное подспорье, разница температур между нагревающимся
органом и окружающей средой может достигать десяти и более
градусов. Такие растения называют термогенными, и это
немногочисленная группа. Зато процесс термогенеза очень
распространен у животных. В тот момент, когда живое существо
пробивает дрожь, как раз и идет термогенез.
Нетермогенные растения тоже выделяют тепло при снижении
температуры, «согреваются», но незначительно, примерно на 1-2
градуса. Но для них и это важно, поскольку создается тот градиент
температур, который предотвращает кристаллизацию воды и дает
клетке возможность более медленно пройти фазы адаптации. Особенно
важен термогенез при заморозках, когда разница температур в 1-2
градуса на несколько часов может спасти растения и сохранить
урожай. Механизмов термогенеза у растений несколько и в них
участвуют различные белки. В нашем институте изучаются все
известные на сегодня механизмы.
Защита от обезвоживания
Другие белки — дегидрины, были так названы потому, что их
количество резко увеличивается при дегидратации — обезвоживании.
В какой-то момент жизни клетка начинает терять влагу. Это может
быть естественным процессом при формировании семян, например, или
при подготовке к зиме — вода в межклетниках замерзает, кристаллы
льда растут и оттягивают на себя жидкость из клетки. При потере
влаги происходит слипание мембран и повреждение жизненно важных
белков. Дегидрины встраиваются в мембраны, и температура фазового
перехода значительно снижается. Дело тут в особенности строения
дегидринов — в них много гидрофильных аминокислот, которые
держат на себе большую «водную подушку». Они взаимодействуют с
другими молекулами и заменяют воду, которая уходит из клетки.
В процессе защиты участвуют также и другие молекулы, например,
сахара. Но роль дегидринов, которая была открыта недавно, очень
существенна. Нам удалось обнаружить ассоциацию, связывающую
дегидрины с митохондриями, и определить, что они осуществляют
протекторную функцию. Была показана локализация этих белков и
установлено, что белки разных растений накапливают в митохондриях
одинаковые дегидрины, в каких-то их больше, в каких-то — меньше.
Разницей в накоплении дегидринов часто объясняется разная
устойчивость растений к низкой температуре и засухе. Эти белки
накапливаются также в ответ на солевой и осмотический стресс.
Интересно, что осенью, несмотря на достаточно большую
увлажненность, идет процесс накопления дегидринов. Очевидно, это
определяется не только внешними, но и внутренними причинами. И
понять сами механизмы, значит, понять регуляцию процессов
адаптации в организме. Кроме дегидринов, мы изучали несколько
других белков, которые относятся к данному классу. Это белки,
которые активируются гормоном стресса. Выяснилось, что один из
них тоже связан с митохондриями.
Для чего способствовать замерзанию
Известны белки-антифризы, которые предотвращают образование
кристаллов льда в клетке и понижают температуру его образования.
Но существуют, оказывается, и белки-нуклеаторы, способствующие
замерзанию. Для чего они нужны растению? Выяснилось, что
нуклеаторы синтезируются некоторыми растениями и экспортируются
наружу, потому что растению «выгодно», чтобы лед образовался на
поверхности, а не внутри клетки. Схема действия защитных белков
такова: при подготовке к зиме накапливаются дегидрины,
разобщающиеся белки и разные антиоксидантные ферменты,
уменьшающие повреждения, снаружи в межклетниках накапливаются
нуклеаторы, а внутри — антифризы. Фантастически интересная и
сложная защита! Дегидрины у животных не образуются, но общая
схема адаптации во многом похожа, особенно у теплокровных.
Овладеть механизмами борьбы организма со стрессами, процессами
адаптации — мечта человечества. Мы пока только ищем подходы.
Делаются попытки создать интегрирующую схему, поскольку
функционирование какого-то одного белка и даже группы белков, как
правило, не ведет к изменению устойчивости организма в целом.
Нужно представлять координированное действие многих групп белков.
В нашем рассказе не затронуты другие виды стресса — биотический
(вызванный патогенными грибами, вирусами или бактериями),
солевой, стресс, вызванный тяжелыми металлами или загрязнением
среды. Однако вопросы устойчивости ко всем этим повреждающим
факторам имеют сходные моменты, и во многом связаны с
деятельностью стрессовых белков. Подобное координирование усилий
необходимо и на другом уровне, на уровне активности групп
исследователей. И несмотря на то, что работы на клеточном уровне
проводить сейчас в России очень сложно — нет оборудования, не
хватает денег на дорогостоящие реактивы, мы продолжаем
продвигаться вперед.
стр. 5
|
