Введение к работе
Актуальность проблемы. Восстановление кислорода в фотосинтетической электрон-транспортной цепи (ФЭТЦ) высших растений, или реакция Мелера, - неизбежный в современной кислородной атмосфере процесс. Этот процесс приводит к образованию активных форм кислорода, супероксидного анион-радикала, (V, и перекиси водорода, Н2О2, которые могут повреждать клеточные структуры. С другой стороны, перенос электронов от компонентов ФЭТЦ к кислороду может защищать цепь от фотоингибирования, приводить в отсутствие других акцепторов к созданию на тилакоидной мембране протонного градиента, обеспечивающего дополнительный синтез АТФ, а образующиеся супероксид и перекись водорода являются сигнальными молекулами, способными информировать клеточные системы регуляции о состоянии ФЭТЦ в конкретных условиях окружающей среды [Allen 1975, Foyer and Noctor 2009].
Несмотря на долгую историю изучения, до сих пор нет полного представления о том, какие компоненты ФЭТЦ непосредственно восстанавливают, кислород. Как основное место восстановления кислорода традиционно рассматривается акцепторная сторона фотосистемы 1. На основании косвенных свидетельств было предположено, что восстановителями кислорода могут быть погруженные в мембрану компоненты этой фотосистемы: Ai (филлохинон) или железосерный кластер Fx [Takahashi and Asada 1988]. Помимо переносчиков фотосистемы 1 восстановление кислорода в мембране может осуществляться пластосемихиноном [Khorobrykh and Ivanov 2002]. Расположение в мембране потенциальных восстановителей ( позволяет предполагать, что супероксидный анион-радикал, а также перекись водорода, могут образовываться внутри мембраны тилакоида. Однако в литературе отсутствуют прямые данные о генерации в мембране этих молекул.
Скорость восстановления кислорода в хлоропластах, как правило, выше, чем в изолированных тилакоидах. Это может объясняться участием стромальных компонентов хлоропластов в восстановлении кислорода. Один из таких компонентов, расположенный в строме переносчик ФЭТЦ, ферредоксин (Фд), часто рассматривается как основной восстановитель кислорода в хлоропластах. Такое представление основано на том, что добавка Фд к изолированным тилакоидам приводит к увеличению скорости восстановления кислорода. Однако константа скорости окисления кислородом восстановленного Фд (Фдвосст) мала, и восстановление кислорода в присутствии Фд может осуществляться, вероятно, не
только им, но и другими компонентами ФЭТЦ. В литературе отсутствуют данные о вкладе Фд в восстановление кислорода в хлоропластах.
Цель и задачи работы. Цель работы заключалась в выяснении механизмов и участников восстановления кислорода в фотосинтетической электрон-транспортной цепи хлоропластов высших растений. Были поставлены следующие задачи:
-
установить вклад ферредоксина в восстановление кислорода в отсутствие и присутствии НАДФ ;
-
исследовать образование перекиси водорода в тилакоидах;
-
выяснить возможность генерации супероксидного анион-радикала внутри мембраны тилакоида.
Научная новизна работы. Впервые экспериментально определена степень участия ферредоксина в восстановлении кислорода в ФЭТЦ. Показано, что вклад ферредоксина составляет 40-70% от общего восстановления кислорода в отсутствие НАДФ+ и 1-10% в его присутствии. Не зависимое от ферредоксина восстановление кислорода обусловлено переносом электрона к кислороду от мембранных компонентов ФЭТЦ. Найдено, что, когда восстановление кислорода происходит за счет мембранных компонентов, часть супероксидных анион-радикалов и перекиси водорода образуется внутри тилакоидной мембраны, что является принципиально новым результатом.
Практическая значимость работы. Полученные в диссертационной работе данные позволяют по-новому представить функционирование ФЭТЦ высших растений в кислородной атмосфере, что важно для понимания механизмов устойчивости растений к окислительному стрессу.
Апробация работы. Основные положения работы изложены на международном съезде «Фотосинтез в пост-геномную эру: структура и функции фотосинтеза» (г. Пущино, 2006), 2-ом международном симпозиуме «Сигнальные системы клеток растений: роль в адаптации и иммунитете» (г. Казань, 2006), 5-ой Всероссийской школе-Симпозиуме «Динамика и
структура в химии и биологии» (п. «Юность», 2007), 14-ом Международном конгрессе по фотосинтезу (г. Глазго, 2007), 6-ом съезде общества физиологов растений России (г. Сыктывкар, 2007), 5-ом съезде Российского фотобиологического общества и Международной конференции «Преобразование энергии света при фотосинтезе» (г. Пущино, 2008), 16-ом Конгрессе федераций европейских обществ биологов растений (г. Тампере, 2008), годичном собрании общества физиологов растений России (г. Екатеринбург, 2008), 19 Пущинских чтениях по фотосинтезу и Всероссийской конфереіщии "Фотохимия хлорофилла в модельных и природных системах" (г. Пущино, 2009), 14-ой международной Путинской школе-конференции молодых ученых (г. Пущино, 2010), 15-ом Международном конгрессе по фотосинтезу (г. Пекин, 2010).
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 14 печатных работ, из них четыре статьи в реферируемых журналах, включая международные.
Структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения; обзора литературы; описания методов и объекта исследования; 3 разделов, где представлены основные результаты и их обсуждение; заключения; выводов и списка цитируемой литературы.
