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.

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.

6. Чупахина Г.Н., Романчук А.Ю. Возможный механизм стимулирования ростовых процессов янтарной кислотой // Теоретические и прикладные аспекты биологии: Межвуз. сб. науч. тр. / Калинингр. ун-т; Отв. ред. В.П. Дедков. Калининград, 1999. С. 46 – 51.

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.