Нашли неточность, аошибку в тексте?

Выделите текст и нажмите
Ctrl + Enter и напишите вашу версию текста.
Спасибо.

Мы бесплатно разместим статьи, тексты, книги, публикации на Эко портале обращайтесь portaleco.ru@gmail.com

 В биологическом плане первостепенный интерес представляет вопрос об адаптационном характере биохимического полиморфизма ферментов рыб.
(0 голоса, среднее 0 из 5)
Статьи - Экологические аспекты ихтиотоксикологии

В биологическом плане первостепенный интерес представляет вопрос об адаптационном характере биохимического полиморфизма фермен­тов рыб.

Не приходится сомневаться в том, что выявленные различия в электрофоретической подвижности отдельных вариантов ферментов определяются изменениями первичной структуры белка, которая находится под жест­ким генетическим контролем. Появление новых вариантов ферментов и их закрепление в геноме путем отбора полезных возможно лишь при дли­тельных (в течение жизни многих поколений) изменениях температурно­го или любого другого фактора. Эти измененные условия должны стать "фактом" генетической информации, т. е. привести к изменению после­довательности оснований в ДНК, а затем уже в результате транскрипции и трансляции материализоваться продуцированием нового фермента, более адаптированного к изменившимся условиям. Вполне понятно, что приобретение новой генетической информации, детерминирующей новые адаптивные фенотипические признаки, в том числе и появление новых вариантов ферментов (изо и алло), — это процесс длительной эволюцион­ной адаптации организма к постоянно колеблющимся факторам внешней среды. Исходя из этих теоретических предпосылок можно было предви­деть адаптивную природу эволюционных преобразований белков, в том числе и адаптивное значение появления новых вариантов того или иного фермента у отдельных видов и их популяций. Между тем в конце 60-х начале 70-х годов адаптивная природа биохимического полиморфизма ферментов была подвергнута критике сторонниками "нейтралистской" гипотезы эволюции. По их мнению, эволюция белков соверша­ется путем случайной замены одних аллелей другими вследствие взаимо­действия мутационного процесса и дрейфа генов. Роль отбора либо во­обще отрицается, либо признается его второстепенное значение. Эта точка зрения встретила обоснованную критику. Много­численные данные по биохимическому полиморфизму ферментов, получен­ные при обследовании природных популяций, а также ряд эксперименталь­ных данных о роли изоферментов в акклимации и адаптации рыб к темпе­ратурному фактору не подтверждают основное допущение "нейтралист­ской" гипотезы о случайной фиксации аллелей и, следовательно, нейтраль­ном характере полиморфизма ферментов.

Как показали целенаправленные исследования В. С. Кирпичникова  и многих других исследователей, генетические различия по локусам ферментов имеют, несомненно, адаптивную природу. Об этом же сви­детельствуют и данные по механизмам биохимической адаптации рыб к факторам внешней среды. Между изо и аллоформами ферментов сущест­вуют четко выраженные функциональные различия (различное сродство к субстратам, устойчивость к изменению температуры). Наконец, смена изо­ферментов в процессе индивидуального развития и при сезонных пере­стройках метаболизма также свидетельствует об адаптивной природе по­лиморфизма ферментов.

Принципиальное значение в этом плане имеют данные по избиратель­ному синтезу отдельных изоферментов, адаптированных (имеющих мини­мальные К ) к тому или иному температурному диапазону. Это так назы­ваемые сезонные изоферменты, обнаруженные в начале 70-х годов П. Хочачкой и другими авторами  на примере ацетилхолинэсте разы головного мозга радужной форели. Этот фермент представлен двумя изоферментами, один из которых синтезируется при акклимации к 2°С, а другой — при акклимации к 17°С. При умеренной для этого вида темпе­ратуре (12°С) синтезируются оба изофермента. Это замечательный пример сезонного включения и выключения синтеза ферментов, адаптированных к конкретному температурному режиму. "Теплый" и "холодный" изофер­менты ацетилхолинэстеразы имеют четко выраженные кинетические разли­чия, обусловленные различной степенью сродства фермента к субстрату (рис. 14) — оптимальной для конкретного температурного режима.

Специальное изучение этого вопроса показало, что в разное время года синтезируются различные варианты фермента: один из них, имеющий бо­лее высокую электрофоретическую подвижность, образуется при 18°С, а другой, с меньшей электрофоретической подвижностью — при4°С. Величина К соответствует температурам их синтеза. Иными словами, регуляторные механизмы,управляющие синтезом ацетилхолинэстеразы, обес­печивают мозг форели именно тем вариантом фермента, который необхо­дим для эффективной работы в конкретных температурных условиях того или иного сезона года.

При крайних (зимних или летних) температурах полностью выключа­ется синтез ненужного в данных условиях изофермента, а при умерен­ных переходных температурах синтезируются оба варианта фермента, уве­личивая тем самым резервный адаптационный потенциал.

Это один из двух основных путей биохимической адаптации к сезонным изменениям темпе­ратуры, когда происходит попеременное включение и выключение генов, кодирующих тот или иной вариант фермента.

Другой, по-видимому, более распространенный путь биохимической адаптации к длительным (сезонным) колебаниям температуры заключает­ся в постоянном синтезе набора изоферментов, каждый из которых адап­тирован к работе в определенных температурных интервалах. Здесь воз­можны сезонные сдвиги лишь в количественном соотношении отдельных вариантов фермента. Примером может служить изоцитратдегидрогеназг печени радужной форели, которая представлена у различных особей одно­го из питомников тремя изоферментами: А2, В2 и С2. Обнаружена сезонная изменчивость частоты встречаемости рыб, имевших только изофермент А2 — 30% в зимней выборке и 23% — в весенней выборке. У осо­бей, имевших только изофермент12, не обнаружено положительной темпе­ратурной модуляции (рис. 15), а у рыб, имевших все три изофермента, выявлено четко выраженное компенсаторное снижение сродства к фер­менту при температурах выше 10°С. По-видимому, особи, имеющие все три изофермента, получают определенные преимущества перед рыбами с одним изоферментом, поскольку активность изоцитратдегидрогеназы у них в летний период меньше зависит от температуры.

В печени форели обнаружены 2 изофермента цитратсинтазы: "холодо-

Влияние температуры на сродсродство к ацетилхолину ацетилхоство к субстрату

Влияние температуры на сродсродство к ацетилхолину ацетилхоство к субстрату (ДЛ-изо цитрату) разлинэстераз четырех видов рыб:  личных изоферментов изоцитратдегидро-геназы радужной форели.

I, II — радужная форель; III - Trematomus borchgrevinki; IV — кефаль (Mugil cephalus); V — элопс (Elops hawaieusis).

В скобках указана тем­пература, при которой адаптирован или акклимирован данный вид вый" и "тепловой". Сродство этих изоферментов к субстрату (Км) при 15°С примерно одинаково, однако при более высоких температурах «м "холодового" фермента становится значительно больше (сродство снижа­ется), чем у "теплового" изофермента.

Исследование природных популяций рыб дало много примеров су­ществования географической клины по частотам аллелей, кодирующих различные изоферменты.

Одно из первых наблюдений проведено на видах рода Catastomus. У близких видов, обитающих на севере, обна­ружен только один "северный" аллель гена, кодирующего ЭСТ. Концент­рация аллеля ЭСТа у Catastomus clarcii на севере Американского побережья Атлантического океана составляла 0,18, а на юге доходила до 1,00. Сходная направленность изменения концентрации одного из аллелей ЭСТ выявлена в популяциях арктического гольца (Salvelinus alpinus): от 0,17 на севере до 1,00 на юге. Экологическая обусловленность клйнальной изменчи­вости частот аллелей ЛДГ выявлена у нерки. Показано, что "север­ный" аллофермент ЛДГ-Й! активен при низких температурах и термола­билен, а "южный", напротив, обладает более высокой активностью при по­вышенных температурах и термостабилен. Широтные различия по двум формам ЛДГ печени обнаружены у карпозубой рыбы Fundulus heteroclitus. Кинетические исследования подтвердили адаптивную природу геогра­фического полиморфизма изоферментов ЛДГ: вариант ВВ лучше функцио­нирует при пониженных, а вариант В'В' — при повышенных температурах. Относительная активность тканевой ЛДГ у серебряного карася и ушастого окуня при температурной акклимации не изменяется, но отбор по этому признаку, связанный с географическими условиями, имеет место в природных популяциях.

Сезонная смена набора изоферментов, или постоянный синтез различ­ных вариантов фермента, каждый из которых наиболее эффективно работа­ет при том или ином температурном режиме, представляют собой важ­нейший механизм компенсаторной биохимической адаптации к длитель­ным (сезонным) колебаниям факторов внешней среды. Сезонная смена изоферментов особо важна в тех случаях, когда отрицательная температур­ная модуляция имеет место при изменении температуры в толерантном диапазоне. Логично думать, что сезонная смена изоферментов более вероят­на для тех катализаторов, которые проявляют высокую чувствительность Ки к температуре и особенно к отрицательной температурной модуляции. Однако у рыб, имеющих высокополиморфные ферменты, представленные несколькими вариантами, каждый из которых приспособлен к работе в оп­ределенном температурном интервале, отпадает необходимость сезонной смены синтезируемых ферментов (ЛДГ, МДГ) форели.

Наконец, еще один путь биохимической адаптации — это выработка го­мологичных ферментов, для которых характерна более или менее вы­раженная независимость от изменений температуры в толерантном для ви­да диапазоне. Яркий пример такого рода адаптации дает нам пируваткина за Gilichthys mirabilis (рис. 16), способность которой связывать фосфоенол-пируват (субстрат) практически не зависит от температуры в довольно зна­чительном диапазоне. Это пример выработки эвритермного фермента, су­щественно отличающегося по степени температурной зависимости К в сравнении со стенотермными изоферментами пируваткиназы радужной форели.

К сожалению, изучение изоферментов и аллоферментов в эколого-биохимическом аспекте, т. е. для понимания их роли и удельного веса в биохимической адаптации к различным условиям обитания, существенно отстает от генетических исследований, что нельзя признать нормальным по двум причинам. Во-первых, конкретному использованию той или иной изо-ферментной системы в популяционно-генетических работах должно пред­шествовать изучение возрастной и сезонной изменчивости этих систем. Во-вторых, и это главное, полиморфизм ферментов это, по-видимому, один из важнейших эколого-биохимических механизмов как компенсатор­ной, так и эксплуатационной адаптации различного временного масштаба. С (этих позиций логично выглядит гипотеза о большей стабильности фер­ментов у стенотермных видов рыб и большей генетической изменчивости ферментов у эвритермных рыб, живущих в условиях, так сказать, непред­сказуемого температурного режима, хотя, разумеется, в этом пра­виле будут исключения.

Полученные к настоящему времени данные показывают, что наиболее выраженная степень полиморфизма характерна для ферментов, катализи­рующих практически необратимые реакции, которые, как известно, играют

 Влияние температуры на сродство трех видов рыб

Рис. 16. Влияние температуры на сродство трех видов рыб:

I, II — радужной форели Salmo gaird- neri; III - GiKchthys mirabilis; IV — Trematomus borchgrevinki. В скоб­ках указана температура, к которой адаптирован или акклимирован данный вид важную регуляторную роль, а потому, вероятно, в большей степени под­вержены влиянию естественного отбора.

Следует особо подчеркнуть, что первичная структура белка далеко не единственный фактор, определяющий его функциональные свойства, осо­бенно если речь идет о ферментах. В этом плане чрезвычайно интересна проблема "мгновенных изоферментов", т. е. конформационных вариантов того или иного фермента, сформулированная П. Хочачкой и Дж. Сомеро. Быстрые изменения факторов внешней среды не оставляют орга­низму времени для введения информации об этих изменениях в геном и синтеза новых вариантов макромолекул, или для перестроек в системе уп­равления транскрипцией. В этих условиях подчас невозможна даже избира­тельная активация генов для синтеза новых ферментов из тех, что уже за­кодированы в геноме, и остаются только механизмы модуляционной стра­тегии. Один из них это — мгновенное изменение конформации белка под влиянием температуры, оказывающей прямое воздействие на слабые свя­зи (ионные, водородные, гидрофобные), поддерживающие макромолекулярную структуру высшего порядка (четвертичную). Благодаря этим изме­нениям могут возникать конформационные изомеры (конформеры), т. е. функциональные изоферменты, которые при мгновенном понижении или повышении температуры выполняют функции, аналогичные "тепловым" и "холодовым" изоферментам.

Теоретически обоснованные предположения о возможности сущест­вования мгновенных изоферментов подтверждены на примере пируваткиназной системы камчатского краба Paralitodes camtschatica, которая является функциональным аналогом пируваткиназной системы радужной форели.

 Еще один механизм мгновенной компенсаторной биохимической адаптации, включающийся при быстрых и кратковременных изменениях температуры, — это положительная температурная модуляция, стабилизи­рующая работу фермента, а также изменение микросреды, в которой функционирует данный фермент, оказывающей влияние на его каталити­ческие и регуляторные свойства с помощью положительных и отрицательных модуляторов (водородные ионы, неорганические ионы молеку­лы, которые входят в фермент неотъемлемой составной частью).

Так, например, составной частью многих ферментов окислительного метаболизма в митохондриях являются липиды. Один из этих ферментов - сукцинатдегидрогеназа серебряного карася — проявляет выраженные ком­пенсаторные изменения активности при акклимации к пониженным (5 С) и повышенным (25°С) температурам. Установлено, что белковая часть очищенных от липидных компонентов "теплового" и "холодового" изоферментов оказалась одинаковой (по электрофоретической подвижнос­ти). Однако степень активации очищенного белка сукцинатдегидрогеназы очищенными липидами из митохондрий рыб, акклимированных к двум крайним температурам, была существенно различной: липиды от рыб, ак­климированных к низким температурам, активизировали белковую часть фермента значительно сильнее, чем от рыб, акклимированных к высоким температурам. Следовательно, у ферментов, имеющих пятиричный уро­вень структуры (связанные с мембранами), акклимация к теплу или хо­лоду может в значительной мере определяться изменениями липидной час­ти фермента. Специальные опыты показали также, что уровень активации белковой части ферментов липидами обычно прямо пропорционален сте­пени их ненасыщенности.

Теоретически возможны и другие механизмы модуляционной страте­гии немедленной биохимической адаптации к быстро наступающим изме­нениям температуры. Хорошо известна, например, выраженная зависи­мость активности ферментов от ионного состава микросреды, в которой работают ферменты, в первую очередь от концентрации ионов Н+, а также Мд2+, К, Na+. Например, эффективная работа фермента, активируемого ионами Мд2+, при снижении температуры может сохраняться за счет повы­шения внутриклеточных концентраций этого иона. Любые изменения тем­пературы, приводящие к изменению величины рН, также могут оказывать влияние на активность фермента.

Таким образом, под влиянием колебаний температуры воды в организ­ме рыб возникают различные по направленности, интенсивности и латент­ному периоду компенсаторные биохимические изменения на тканевом, клеточном и молекулярном уровнях, обеспечивающие сохранение, если это возможно, метаболического гомеостаза.

Молекулярные механизмы температурной адаптации включают в себя изменения первичной структуры ферментов,с помощью таких фундамен­тальных механизмов, как активация генов, транскрипция, трансляция и сборка новых вариантов ферментов (изоферментов), изменение концент­раций отдельных изоферментов, приспособленных к определенным темпе­ратурам, изменение кинетических свойств данного фермента, изменение кофакторов и микросреды, в которой функционируют ферменты, конформационные изменения, ведущие к появлению "мгновенных", или функ­циональных, изоферментов. Выбор стратегии и конкретных механизмов биохимической адаптации рыб определяется прежде всего скоростью на­ступления и длительностью сохранения температурных изменений, а также видовыми экологическими и возрастными особенностями рыб.


Похожие статьи:

Добавить статью в закладки

 
Добавить комментарий


Защитный код
Обновить

Полное или частичное копирование материалов сайта разрешается только при указании активной ссылки на экологический портал!
Материалы размещены и подготовлены для образовательных и некоммерческих целей.
ООО "Новая Экология" © 2010 - 2016