Изменение содержания пролина при стрессовых воздействиях
В стрессовых ситуациях в растениях в больших количествах образуются вещества, которые служат индикаторами неблагополучного состояния растений. Одним из таких веществ является пролин.
Накопление пролина является одной из наиболее быстрых ответных реакций клетки, которая препятствует развитию осмотического шока в условиях стрессового воздействия (Геринг, 1981; Щевякова, 1983).Свободный пролин, а также пролин в составе белковых молекул являются необходимыми компонентами растительной клетки. Почти весь свободный пролин накапливается в цитоплазме (Геринг, 1981; Щевякова, 1983). В условиях стресса происходит активация экспрессии генов, кодирующих синтез пролинбогатых белков (Showalter, 1993). Солерастворимые пролинбогатые белки в стрессовых условиях могут за несколько минут переходить в нерастворимое состояние, прочно встраиваясь и укрепляя клеточную стенку (Шарова, 2004). Многие структурные белки растений также содержат 4-окси-пролин, который образуется путем модификации пролина в молекуле белка после ее синтеза (Саламатова, 1983).
Клеточные стенки содержат богатые оксипролином гликопротеиды, играющие важную роль в регуляции роста и морфогенеза растений (Саламатова, 1983; Шарова, 2004).
В растительной клетке пролин, являясь инертным соединением для большинства ферментов, проявляет ярко выраженную способность регулировать свой собственный биосинтез (Щевякова, 1983). Однако у растений, аккумулирующих пролин в условиях стрессового воздействия, механизм авторегуляции по типу обратной связи может не функционировать. Причина потери способности к авторегуляции, по-видимому, связана со снижением водного потенциала клетки и, как следствие, обратимым изменением стерических свойств ферментов пролинового метаболизма (Щевякова, 1983).
В нормальных условиях содержание пролина в растениях невысоко, однако оно резко повышается при действии на растения различных стрессовых факторов (Ivanova, 1982; Butes, Wildren, Teany, 1983; Levy, 1983).
Таковыми могут быть, кроме засухи, также низкие температуры (Гёринг, 1981). Следует отметить, что стрессовые воздействия не всегда сопровождаются накоплением пролина. Образование пролина в стрессовых условиях идет только в том случае, когда растительные ткани хорошо снабжаются кислородом и содержат достаточное количество субстрата (глутаминовой кислоты) для синтеза пролина (Гёринг, 1981).У высших растений накопление пролина начинается через 1—5 часов после начала стрессового воздействия (Гёринг, 1981). Имеются данные об изменении содержания пролина в клубнях картофеля в процессе послеуборочного хранения. После уборки содержание пролина бывает низким, но к весне возрастает в 4-9 раз (Вечер, Гончарик, 1973). Описаны факты накопления пролина в плодах грейпфрутов при понижении температуры наружного воздуха (Purvis, 1981; Purvis, Yelenosky, 1982).
Пролин имеет ряд уникальных свойств, обеспечивающих его особую роль в жизнедеятельности растений, и резко выделяется среди других аминокислот своими физическими и физико-химическими особенностями (Савицкая, 1976; Хочачка, Сомеро, 1977; Гёринг, 1981). Прежде всего, нужно отметить его способность растворяться в воде в очень больших количествах. Растворимость пролина в воде - 163 г на 100 мл воды. Это в 7-32 раза выше растворимости в воде других аминокислот, которые входят в состав белковых молекул. Такое вещество, накапливаясь в больших количествах, может влиять на коллоидные свойства цитоплазмы и уровень обмена веществ. Как соединение с небольшой молекулярной массой, пролин является важным компонентом механизма осморегуляции (Бритиков, 1975).
Высокая растворимость пролина обусловлена способностью его молекулы, благодаря наличию гидрофобных и гидрофильных группировок, образовывать полимеры, которые ведут себя как гидрофильные коллоиды. Поэтому пролин не действует на белки подобно детергентам и не влияет на внутримолекулярные гидрофобные взаимодействия белков и не вызывает их денатурацию, а связывается лишь с поверхностными гидрофобными остатками (Геринг, 1981; Шевякова, 1983).
Эти свойства пролиновых агрегатов, вероятно, сохраняются даже при уменьшении водного потенциала в клетке и увеличении концентрации солей. Предполагается, что пролин может агрегировать с гидрофобными группами биополимеров, превращая эти группы в гидрофильные. Это вызывает полную гидратацию белковых коллоидов, которая необходима для нормального функционирования клеток, даже при значительном уменьшении содержания воды в клетке (Гёринг, 1981; Шевякова, 1983).Таким образом, при низких положительных температурах, так же как и при других неблагоприятных для растений стрессовых условиях, в тканях растений активируется синтез и накапливается в больших количествах пролин. Уровень пролина в ткани может использоваться, как очень важный показатель неблагоприятного состояния растений. Поэтому, регистрируя содержание пролина, можно эффективно оценивать повреждение микрорастений в условиях длительного хранения in vitro. Однако, не смотря на большое количество исследований, посвященных определению содержания, образования, локализации, транспорта и роли пролина в различных стрессовых ситуациях, до сих пор пока не изучена его динамика в процессе длительного хранения растений in vitro.
1.3.8.