биоэлектрическая компонента синдрома адаптации у высших

БИОЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ КОМПОНЕНТА СИНДРОМА
АДАПТАЦИИ У ВЫСШИХ РАСТЕНИЙ
С.С. Пятыгин
Нижегородский госуниверситет им. Н.И. Лобачевского,
Н. Новгород, факс (8312) 65-79-23, e-mail: [email protected]
Процесс электрогенеза, протекающий на плазматических мембранах
клеток высших растений, приводит к формированию значительных по
величине мембранных потенциалов (до — 150 мВ и более) и играет
важную функциональную роль, многие аспекты которой — энергетический, регуляторный, информационный и др. — сегодня хорошо известны [1]. Настоящая работа представляет собой новое направление в исследовании процесса электрогенеза у высших растений, состоящее в
выяснении его участия в адаптации клеток растений к неблагоприятным
факторам среды.
Исследование проводили на двухнедельных проростках тыквы Cucurbita pepo L., биоэлектрическую активность клеток стебля которых
измеряли как внутриклеточно, так и внеклеточно (поверхностно). Стебли проростков подвергали локальному охлаждению, которое можно
было дозировать по глубине и скорости воздействия.
Показано, что изменения биоэлектрогенеза при охлаждении от 21–
23°С до 5–6°С развиваются в ряд последовательных стадий, которые,
что важно, соответствуют основным известным фазам адаптационного
синдрома [2]. Среди этапов изменения мембранного потенциала можно
выделить: первичную стрессовую деполяризацию, сопровождавшуюся
генерацией распространяющихся потенциалов действия и обращаемую
нагреванием, латентный период пребывания клеток в деполяризованном
состоянии при пониженной температуре, самопроизвольную адаптивную реполяризацию в низкотемпературных условиях. При углублении
охлаждения (до –2°С) имела место вторичная деполяризация клеток,
являвшаяся необратимой и связанная с холодовым нарушением процесса электрогенеза. Таким образом, судя по изменениям мембранного потенциала, клетки поначалу совершали своеобразный "уход" в состояние,
26
которое может быть охарактеризовано как физиологическая депрессия,
затем наступал этап адаптации к новым условиям среды, сменявшийся
при усилении стресс-воздействия этапом истощения ресурсов надежности.
Первичная стрессовая деполяризация величиной до 100 мВ протекала по сигмоидной кинетике и была обусловлена, в решающей степени,
холодовым угнетением активности АТФ-зависимого Н+-насоса (Н+АТФазы) плазматической мембраны. Былa выявлена связь угнетения
активности насоса при охлаждении с термотропным уменьшением текучести липидного матрикса мембраны. В опытах на изолированных
мембранных везикулах с использованием гидрофобных флуоресцентных зондов пирена и 3-метоксибензантрона показано, что индуцированные понижением температуры изменения в жидкостном состоянии матрикса происходили как плавно, монотонно, так и по типу резкой фазовоструктурной перестройки, "критическая" температура которой зависела
от температурного режима выращиваемого объекта. На аррениусовских
кривых для гидролитической активности Н+-АТФазы и метаболической
(насосной) составляющей мембранного потенциала клеток при той же
"критической" температуре был обнаружен перегиб. Это дает основания
считать, что термотропные фазово-структурные изменения в липидном
матриксе плазмалеммы клеток при охлаждении оказывали регулирующее влияние на активность АТФазной системы и, как следствие, во
многом определяли скорость развития первичной стрессовой дополяризации [1,2].
Генерация потенциалов действия имела место по достижении в ходе
первичной стрессовой деполяризации клеток некоторого порогового
уровня. Импульсы возникали обычно в количестве 1–3 и выполняли
роль биоэлектрических сигналов, распространяющихся за пределы зоны
охлаждения. Амплитуда возникавших импульсов не отличалась от таковой у нервного импульса животных, в то время как их длительность, а
также константа аккомодации порога возникновения и продолжительность рефрактерного периода были на 3–4 порядка больше [1]. Это свидетельствовало о том, что механизм генерации потенциалов действия у
высших растений имеет свои специфические особенности.
Анализ механизма генерации потенциалов действия в возбудимых
клетках стебля тыквы показал, что его важной особенностью является
тесная связь с работой электрогенного Н+-насоса плазматической мембраны. Н+-насос, в отличие от Nа+-насоса животных, не только обеспечивает формирование значительных исходных внутриклеточных пулов
27
основных ПД-образующих ионов (Cl- и K+) и их восстановление по
окончании процесса возбуждения [1], но и непосредственно участвует в
генерации импульса путем переходного изменения активности (инактивация - активация). На основе полученных данных разработана принципиально новая схема процесса генерации потенциалов действия у высших растений, учитывающая непосредственное участие изменения активности Н+-насоса плазматической мембраны возбудимых клеток [3].
Генерация потенциалов действия оказывала модулирующее влияние
на развитие процессов как первичной стрессовой деполяризации (замедление, ослабление), так и последующей адаптивной реполяризации
(ускорение, усиление) клеток при охлаждении. Этот эффект был наиболее выражен в условиях возникновения ритмически повторяющихся
импульсов. Выявлено, что механизм влияния потенциалов действия на
адаптивные изменения мембранного потенциала во многом связан с
выходом из клеток при возбуждении ионов К+ и их влиянием на активность электрогенного Н+-насоса (Н+-АТФазы) плазматической мембраны [2].
Процесс адаптивной реполяризации клеток в низкотемпературных
условиях развивался как результат активации электрогенного Н+-насоса
и обнаруживал парадоксальную отрицательную зависимость от конечной температуры охлаждения. Интерпретация обнаруженного феномена
была проведена с привлечением полученных в опытах данных о тесной
связи активации насоса при низких температурах с адаптивным уменьшением вязкости мембранных липидов вследствие увеличения доли
ненасыщенных жирных кислот в их составе. Предложена модель возникновения феномена отрицательной температурной зависимости ферментативного процесса, не противоречащая уравнению Аррениуса [4].
Обнаружено, что основной путь адаптации электрогенеза клеток
объекта к охлаждению связан с повышением резистентности, а не интенсификации этой клеточной функции. Повышение резистентности
биоэлектрогенеза происходило на стадии адаптивной реполяризации и
охватывало как активную (при участии Н+-насоса), так и, в определенной мере, пассивную (при участии ионных каналов) его компоненты.
Связь первичной стрессовой деполяризации с явлением изменения резистентности биоэлектрогенеза не выявлена [5].
На основе модели континуальной диффузии, использованной для
анализа принципов регуляции скорости ферментативных реакций в условиях мембраны [6], обоснована значимость адаптивного восстановления клеточного электрогенеза при низкотемпературном стрессе для
28
компенсации угнетающего влияния охлаждения на протекающие в мембране потенциалзависимые процессы. Экспериментальное подтверждение реальности такой компенсации получено в опытах по влиянию индуцированного валиномицином К+-диффузионного потенциала на гидролитическую активность Н+-АТФазы изолированных плазматических
мембран в условиях понижения температуры.
Разработана концепция [2,4,5], согласно которой биоэлектрические
изменения клеток высшего растения при действии стрессора представляют самостоятельное звено генерализованного адаптационного синдрома, которое является одним из наиболее ранних и важных и может
быть триггером последующих его звеньев. Предложена схема участия
электрогенеза плазматических мембран в адаптации клеток высшего
растения к охлаждению. На основе сопоставления сходства и различий
между двумя основными компонентами вызванного охлаждением комплексного адаптивного биоэлектрического ответа — реакцией потенциала покоя и генерацией потенциала действия — предположено, что
изменения потенциала покоя, имеющие форму растянутого во времени
импульса, являются эволюционным предшественником потенциала действия у высших растений.
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда
фундаментальных исследований (проект 00-04-49045).
Литература
1. Опритов В.А., Пятыгин С.С., Ретивин В.Г. Биоэлектрогенез у высших
растений. М.: Наука, 1991. 216 с.
2. Опритов В.А., Пятыгин С.С., Крауз В.О. Анализ роли электрической активности клеток высшего растения в развитии адаптационного синдрома
при охлаждении // Физиология растений. 1993. Т. 40. № 4. С. 619–626.
3. Пятыгин С.С., Опритов В.А., Половинкин А.В., Воденеев В.А. О природе
потенциала действия у высших растений // Доклады Академии наук. 1999.
Т. 366. № 3. С. 404–407.
4. Пятыгин С.С., Треушников В.М., Опритов В.А., Крауз В.О. Феномен
отрицательной температурной зависимости адаптивной реполяризации клеток высшего растения при охлаждении // Физиология растений. 1996. Т. 43.
№ 1. С. 80–86.
29
5. Пятыгин С.С., Опритов В.А., Крауз В.О., Половинкин А.В. Повышение
холодоустойчивости электрогенеза как основа адаптивной реполяризации
клеток высшего растения при охлаждении // Физиология растений. 1996.
Т. 43. № 2. С. 256–261.
6. Треушников В.М., Пятыгин С.С., Опритов В.А. Использование модели
континуальной диффузии для анализа принципов регуляции скорости ферментативной реакции в условиях мембраны // Биологические мембраны.
1994. Т. 11. № 4. С. 420–428.
30