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
Фумаровая
кислота ингибировала синтез триоз на 17 % по отношению к контролю (рис. 4).
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. |