МЕСТО И РОЛЬ АКВАПОРИНОВ В ТРАНСПОРТЕ ВОДЫ В

МЕСТО И РОЛЬ АКВАПОРИНОВ В ТРАНСПОРТЕ
ВОДЫ В РАСТЕНИЯХ
М.С. Трофимова, И.М. Жесткова,
Е.М. Сорокин, И.М. Андреев
Институт физиологии растений РАН, Москва,
факс (095)977-80-18, e-mail: [email protected]
Известно, что движение воды через растительные клетки и ткани
часто лимитируется скоростью ее переноса через клеточные мембраны
и их осмотическая водная проницаемость может выступать фактором,
ограничивающим скорость дальнего транспорта воды в растениях [1].
Изучение механизмов этих процессов долгое время базировалось на
представлениях, что проницаемость клеточных мембран для воды обусловлена диффузией ее молекул через липидный бислой и не может
претерпевать существенных изменений. Однако к настоящему времени
накоплено немало данных о том, что процесс транспорта воды через
клеточные мембраны во многих случаях обнаруживает характеристики,
не свойственные гидравлической проводимости липидного бислоя, а
именно: 1) достаточно высокие значения коэффициентов осмотической
водной проницаемости (≥ 100 мкм/с); 2) низкую энергию активации (2–
4 ккал/моль); 3) ингибирующее действие соединений ртути [2]. В этой
связи обнаружение в последние годы в мембранах животных и растительных клеток аквапоринов — белков, облегчающих пассивный
трансмембранный перенос молекул воды, в сильной степени стимулировало интерес исследователей к выяснению механизмов, определяющих динамику транспорта воды в растениях [3]. Из-за присутствия аквапоринов в клеточных мембранах их водная проницаемость может
варьировать либо в результате изменения активности таких белков, обусловленного открыванием/закрыванием их гидрофильной поры, либо за
счет изменения их количества на единицу площади мембраны. Поэтому
очевидно, что исследования, связанные с идентификацией, выяснением
особенностей функционирования и способов регуляции активности аквапоринов, весьма актуальны для понимания механизмов регуляции
транспорта воды в растительных тканях. В настоящее время сформировалось фактически новое направление исследований, связанное с идентификацией таких белков в растениях на основе методических подходов
101
молекулярной генетики и генной инженерии. Имеющиеся данные показывают, что для растений характерно большое разнообразие изоформ
аквапоринов и что степень обогащенности ими различных растительных тканей сильно варьирует. Установлено, что некоторые аквапорины
синтезируются конститутивно, тогда как новообразование других белков этого типа индуцируется при действии на растения тех или иных
факторов внешней среды [4]. Один из экспериментальных подходов,
используемых для функциональной идентификации аквапоринов в их
нативном мембранном окружении, основан на измерении осмотической
водной проницаемости изолированных клеточных мембран. Ее оценка,
однако, требует регистрации, как правило, очень быстрых осмотических
изменений объема мембранных везикул и, следовательно, применения
для этой цели методов быстрой кинетики. Один из них сводится к спектрофотометрической регистрации кинетики изменения светорассеяния
везикулярной суспензии в режиме остановленного потока.
Такой экспериментальный подход был применен нами в настоящей
работе для измерения осмотической водной проницаемости клеточных
мембран, изолированных из корней этиолированных проростков кукурузы. Полученная микросомальная фракция была разделена в двухфазной полимерной системе ПЭГ-декстран на плазмалемму и внутриклеточные мембраны, обогащенные тонопластом [5]. Размеры везикул были оценены путем стереологического анализа электронных микрофотографий выделенных мембранных фракций. Кинетические кривые, характеризующие временной ход светорассеяния везикулярной суспензии
при осмотическом сжатии везикул, были аппроксимированы экспоненциальными зависимостями. Коэффициент осмотической водной
проницаемости мембран (P) рассчитывали из уравнения:
P=
V k
,
A VнCн
Vw − парциальный молярный объем воды, k − константа скорости процесса, Сн − могде V − объем везикулы, A − площадь ее поверхности,
лярность наружного раствора сахарозы [6]. Фазовое состояние липидного компонента клеточных мембран оценивали по величине стационарной анизотропии флуоресценции встроенного в них дифенилгексатриена.
Представленные в таблице результаты показывают, что осмотическая водная проницаемость тонопласта во много раз превышает соответствующую величину для плазмалеммы. Важно отметить в этой свя102
зи, что средние размеры везикул, входящих в состав выделенных мембранных фракций, а также величины анизотропии флуоресценции в них
дифенилгексатриена фактически не различаются.
Параметр
Д Диаметр везикул (нм)
P (мкм/с)
Анизотропия (отн. ед.)
Плазмалемма
150 ± 52
11 ± 2
0.22
Тонопласт
175 ± 54
165 ± 7
0.22
Отсутствие различий в фазовом состоянии липидного компонента
исследуемых мембран, позволяет заключить, что наблюдаемое различие
в водной проницаемости плазмалеммы и тонопласта скорее всего отражает разную функциональную активность в них аквапоринов. Высокая
водная проницаемость внутриклеточных мембран по отношению к
плазмалемме может быть важным фактором, ответственным за быстрое
установление осмотического равновесия между различными клеточными компартментами и тем самым за поддержание оптимальных объемных соотношений между цитозолем и вакуолью.
Работа выполнена при частичной поддержке РФФИ.
Литература
1. Boyer J.S. Water Transport // Annu. Rev. Plant Physiol. 1985. V. 36. P. 473–516.
2. Borgnia M., Nielsen S., Engel A., Agre P. Cellular and Molecular Biology of the
Aquaporin Water Channels // Annu. Rev. Biochem. 1999. V. 68. P. 425–458.
3. Tyerman S.D., Bohnert H.J., Maurel C., Steudle E. and Smith J.A.C. Plant
Aquaporins: Their Molecular Biology, Biophysics and Significance for Plant Water Relations // J. Exptl. Bot. 1999. V. 50. P. 1055–1071.
4. Maurel C. Aquaporins and Water Permeability of Plant Membranes // Annu. Rev.
Plant Physiol. Plant Mol. Biol. 1997. V. 48. P. 399–429.
5. Larsson C., Sommarin M., Widell S. Isolation of highly purified plasma membranes and the separation of inside-out and right-side-out vesicles // Methods Enzymol. 1994. V. 228. P. 451–469.
6. Van Heeswijk M.P.E., van Os C.H. Osmotic Water Permeabilities of Brush
Border and Basolateral Membrane Vesicles From Rat Renal Cortex and Small Intestine // J. Membr. Biol. 1986. V. 92. P. 193–193.
103