Влияние органических кислот цикла Кребса на образование триоз в листьях ячменя
Влияние
органических кислот цикла Кребса на образование триоз в листьях ячменя
М.В.
Куркина
Исследуется
влияние органических кислот цикла Кребса на содержание триоз в листьях ячменя.
Показано, что биосинтез триоз в зеленых и альбиносных листьях ячменя
регулируется экзогенными интермедиатами цикла Кребса. Янтарная кислота
стимулирует накопление триоз в зеленых листьях ячменя на свету и в темноте,
лимонная – только в темноте, а фумаровая – ингибирует светозависимое
образование триоз. В альбиносных листьях только янтарная кислота стимулирует
образование триоз на свету.
Для
изучения различных физиолого-биохимических процессов растительной клетки
большое внимание уделяется влияющим на эти процессы органическим кислотам, а
именно тем, которые функционируют в цикле Кребса – лимонной, янтарной, яблочной
и фумаровой. Известно, что данные кислоты, введенные экзогенно, легко проникают
в митохондрии и используются так же быстро, как и их эндогенные формы [1]. В
научной литературе имеются данные о том, что лимонная кислота является
ингибитором гликолиза на уровне фосфофруктокиназы и пируваткиназы и регулирует
пропускную способность гликолиза, а значит, и содержание пирувата. При введении
экзогенной лимонной кислоты обнаружено увеличение пировиноградной кислоты на
свету [2]. Подобная закономерность характерна и при использовании других
субстратов цикла Кребса – яблочной и янтарной кислот [3]. Янтарная кислота,
введенная экзогенно, оказывает активирующее действие на различные
физиолого-биохимические процессы у растений, причем действие ее проявляется в
относительно низких концентрациях [4]. Данная кислота может изменять
энергетический уровень ферментов, повышать всхожесть семян и продуктивность
некоторых растений [5], стимулировать ростовые процессы и активизировать синтез
аскорбиновой кислоты [6].
Целью
данной работы явилось изучение влияния органических кислот цикла Кребса на
содержание моносахаридов триоз в листьях ячменя в связи с освещением.
Методика
Объектом
исследования служили 8 – 13-дневные зеленые и альбиносные проростки ячменя
(Hordeum vulgare L.) сорта Роланд, выращенные в установке ТКШ-1 «Флора» при
интенсивности света 5 Дж/м2× с.
Альбиносные проростки получали из семян, обработанных 0,25%-ным раствором
стрептомицина. Перед опытом растения выдерживали в темноте в течение 24 часов.
Для выяснения роли органических кислот цикла Кребса в образовании триоз в
качестве субстратов использовали 0,005 М растворы яблочной, янтарной, лимонной
и фумаровой кислот.
Срезанные
листья помещали на воду и на растворы органических кислот и освещали светом
люминесцентных ламп белого света ЛБУ-30 интенсивностью 12 Дж/м2× с в течение суток. Через 24 часа
определяли содержание триоз фотоколориметрическим методом [7] и рассчитывали в
мкг/г сырого веса, используя калибровочную кривую для диоксиацетона. Опыты
проводили в двух биологических повторностях и воспроизводили два – четыре раза.
Полученные данные были обработаны статистически методом парных сравнений. На
рисунках представлены средние арифметические значения.
Результаты и обсуждение
Результаты
опытов, проведенных с зелеными проростками ячменя, свидетельствуют о том, что
из всех используемых органических кислот цикла Кребса только янтарная кислота
стимулировала образование моносахаридов триоз в листьях на свету, увеличив их
уровень в 1,2 раза по сравнению с контролем (рис. 1).
Рис.
1. Влияние янтарной кислоты на образование триоз
в
6 – 10-дневных зеленых листьях ячменя
Яблочная
и лимонная кислоты не влияли на образование данных соединений на свету (рис. 2,
3).
Рис.
2. Влияние яблочной кислоты на образование триоз
в
6 – 12-дневных зеленых листьях ячменя
Рис.
3. Влияние лимонной кислоты на образование триоз
в
6 – 7-дневных зеленых листьях ячменя
Рис.
4. Влияние фумаровой кислоты на образование триоз
в
6 – 12-дневных зеленых листьях ячменя
В
неосвещенных листьях стимулирующее действие на содержание триоз оказали
лимонная и янтарная кислоты, увеличив их уровень в 1,2 и 1,3 раза
соответственно. Действие яблочной и фумаровой кислот было нейтральным.
Увеличение
уровня триоз в темноте под действием лимонной и янтарной кислот, видимо,
связано с активацией обменных процессов растительной клетки. С одной стороны,
лимонная кислота, введенная экзогенно, возможно, включается в работу цикла Кребса
и приводит к накоплению щавелевоуксусной и пировиноградной кислот, которые
остаются невостребованными для синтеза лимонной кислоты и через обращенный
гликолиз превращаются в триозы. С другой стороны, экзогенная лимонная кислота
может ускорять ход глиоксилатного цикла и, следовательно, увеличивать
образование промежуточного продукта – янтарной кислоты, которая выходит из
глиоксисом, превращается в щавелевоуксусную кислоту и участвует в
глюконеогенезе (обращенном гликолизе) и других процессах, что может привести к
увеличению уровня триоз.
Янтарная
кислота, введенная экзогенно так же, как и лимонная, может преобразовываться в
митохондриях в цикле Кребса и цитоплазме. Образованная при этом
щавелевоуксусная кислота ведет к накоплению триоз через ряд промежуточных
реакций.
Увеличение
уровня триоз в листьях, снабженных янтарной кислотой, в наших исследованиях
происходило и в освещенных листьях. На свету в цитоплазме может возникать
конкуренция за АДФ и неорганический фосфор (Фн) между энергодающими реакциями гликолиза
и фотосинтетическим фосфорилированием [8]. При введении экзогенной янтарной
кислоты затормаживается реакция субстратного фосфорилирования (образование
янтарной кислоты из сукцинилСоА, АДФ и Фн) и АДФ и Фн могут выходить в
цитоплазму. Ситуации, приводящей к конкуренции между фотосинтезом и анаэробной
стадией дыхания, не возникает, поэтому ингибирования гликолиза на свету не
наблюдается, а образование триоз идет за счет фотосинтеза и дыхания.
Фумаровая
кислота в отличие от янтарной оказывала ингибирующее влияние на биосинтез триоз
в зеленых листьях на свету. Из всех исследованных в опытах кислот данная
кислота используется только в реакциях цикла Кребса, тогда как остальные
участвуют еще и в глиоксилатном цикле, а также в обменных процессах в цитоплазме
и через ряд промежуточных веществ могут пополнять пул триоз. Фумаровая кислота,
возможно, ускоряет реакции цикла Кребса, в результате чего активно используются
продукты гликолиза, в том числе и триозы. Так как данная кислота не участвует в
других обменных процессах, пополняющих пул триоз, поэтому и наблюдается
снижение их количественного содержания в присутствии экзогенной фумаровой
кислоты.
Таким
образом, в зелёных листьях ячменя на свету экзогенные интермедиаты цикла Кребса
– 0,005 М растворы яблочной и лимонной кислот не изменяли уровень фосфотриоз по
сравнению с контролем, фумаровая кислота ингибировала биосинтез данных
соединений, а янтарная, наоборот, стимулировала их образование. В темноте
положительное действие на накопление моносахаридов – триоз – оказали янтарная и
лимонная кислоты.
Данные
по влиянию интермедиатов цикла Кребса на образование триоз в альбиносных
листьях ячменя показали, что освещенные листья, находящиеся на растворах
яблочной, фумаровой, лимонной и яблочной кислотах, хотя и характеризовались
повышенным содержанием триоз, но статистически достоверно только янтарная
кислота активировала их накопление, увеличив уровень так же, как и в зеленых, в
1,2 раза (рис. 5). В темновом варианте опыта данные кислоты не повышали
содержание триоз в альбиносных листьях ячменя. Следовательно, из всех
используемых экзогенных интермедиатов стимулирующим эффектом в образовании
триоз обладала янтарная кислота.
Рис.
5. Влияние янтарной кислоты на образование триоз
в
7 – 12-дневных альбиносных листьях ячменя
Таким
образом, стимуляция цикла Кребса его интермедиатами может регулировать уровень
триоз в листьях ячменя. Важная роль в активации накопления триоз принадлежит
янтарной и лимонным кислотам, которые быстро проникают в растительную клетку и
включаются в обменные процессы.
Список литературы
1.
Верхотурова Г.С., Астафурова Л.И., Кудинова Л.И. Работа цикла Кребса на свету и
некоторые механизмы его регуляции // Вопросы взаимосвязи фотосинтеза и дыхания
/ Под ред. В.Л. Вознесенского. Томск: Изд-во Томского ун-та, 1988. С. 19 – 29.
2.
Постовалова В.М., Верхотурова Г.С. Изучение функционирования заключительного
этапа гликолиза в листьях растений на свету: Тез. докл. III съезда
Всероссийского общества физиологов растений. Санкт-Петербург, 1993. С. 190.
3.
Астафурова Т.П., Верхотурова Г.С., Волкова О.В., Боровая О.А. К вопросу о
функционировании гликолиза в зеленых листьях растений на свету // Вопросы
взаимосвязи фотосинтеза и дыхания / Под ред. В.Л. Вознесенского. Томск: Изд-во
Томского ун-та, 1988. С. 30 – 36.
4.
Максютова Н.Н., Яковлева В.Г. Действие экзогенной янтарной кислоты на растения
// Проблемы ботаники на рубеже ХХ – ХХI веков: Тез. докл. II(Х) съезда Русского
ботанического общества. СПб.: Ботанический институт РАН, 1998. С.179.
5.
Косакович Е.В., Викторова Л.В., Максютова Н.Н., Яковлева В.Г. Влияние янтарной
кислоты на продуктивность и качество урожая пшеницы: Тез. докл. III съезда
Всероссийского общества физиологов растений. Санкт-Петербург, 1993. С. 625.
7.
Чупахина Г.Н., Куркина М.В. Фотоколориметрический метод определения триоз в
растительном материале // Физиологические и биохимические методы анализа
растений: Практикум / Калинингр. ун-т; Авт.-сост. Г.Н. Чупахина. Калининград,
2000. С. 32 – 34.
8.
Мамушина Н.С., Филиппова Л.А., Зубкова Е.К. О функционировании гликолиза и
окислительного пентозофосфатного цикла в ассимилирующей клетке на свету и в
темноте // Вопросы взаимосвязи фотосинтеза и дыхания / Под ред. В.Л.
Вознесенского. Томск: Изд-во Томского ун-та, 1988. С. 5 – 17.
Для
подготовки данной работы были использованы материалы с сайта http://elib.albertina.ru