Богуславська Л.В., Шупранова Л.В.

НДІ біології Дніпропетровського національного університету

Зміни поліпептидного складу білків кореневої меристеми кукурудзи за комбінованої дії іонів важких металів

 

Загальним принципом відповіді клітин на стрес є синтез специфічних стресових білків, які допомагають клітині пережити екстремальні умови [1]. У рослин виявлена велика кількість білків, які індукують важкі метали. Так, у Zea mays L. 18% іонів кадмію зв’язується з білками, подібними до металотіонеінів з молекулярною масою (Mr) 11 – 35 кД [2]. Встановлено, що у кукурудзи субтоксичні концентрації кадмію (20 мкМ) та цинку (0,1 М) індукують синтез білків з  Mr 18, 23, 33 ,76 ,84 и 89 кД [3]. Визначені також білки, які синтезуються у відповідь на дію Cu, Mo, W, Hg [4,5]. Вважається, що їх захисна дія заключається у зв’язуванні іонів важких металів [6]. Даних по вивченню ролі стресових білків у розвитку толерантності рослинних організмів до комбінованої дії іонів важких металів недостатньо. У зв’язку з цим метою нашої роботи було дослідження комбінованого впливу іонів кадмію, свинцю та нікелю на поліпептидний склад водорозчинних білків кореневої меристеми проростків кукурудзи в онтогенезі.

Об’єктом дослідження слугували проростки гібриду кукурудзи Дніпровський 310 МВ, вирощені на середовищі з іонами кадмію, свинцю та нікелю різної концентрації (10-3М Рb2+ + 10-4M Cd2+ + 10-4 М Ni2+). Відбір зразків здійснювали на п’яту, сьому та дев’яту доби проростання. Концентрацію білку визначили за методом Бредфорд [7]. SDS-eлектрофорез проводили у 10-20%-му градієнті поліакриламідного гелю за методом Леммлі [8].

Отримані результати показали, що у процесі проростання кукурудзи в кореневій меристемі за дії іонів кадмію відмічалося поступове зниження вмісту водорозчинних білків, що свідчить про гальмування синтезу білків.  Аналогічна тенденція розвитку процесу білкового синтезу спостерігалася і за окремої дії нікелю та свинцю, але на дев’яту добу проростання ступінь гальмування накопичення білків була більш суттєвою у порівнянні з дією кадмію в 1.9 і 1.6 рази більше відповідно. При сумісній дії важких металів на п’яту добу проростання відмічалося зниження накопичення цитоплазматичних білків на 38.4% у порівнянні з контролем. Із часом кількість білку підвищувалася, але не досягала рівня контролю.

 Зміни загального вмісту альбумінів супроводжувалися активною перебудовою їх компонентного складу. Якщо для дії кадмію протягом усього періоду проростання та для дії свинцю на п’яту-сьому доби характерними були зміни у компонентному складі білків із високомолекулярної області значень молекулярної маси  (Mr) білків, то для дії нікелю на усіх стадіях проростання та для свинцю на дев’яту добу спостерігалася індукція білків із сімейства БТШ 16-40 кД, як найбільш динамічної системи, функція яких, за літературними даними [1], полягає в забезпеченні здійснення процесів, пов’язаних з детоксикацією фітотоксикантів. Комбінований вплив важких металів на поліпептидний склад альбумінів суттєво відрізнявся від окремої дії металів. Так, основним проявом сумісної дії кадмію, свинцю та нікелю були зміни у накопиченні білків: відмічалося інгібування синтезу білків по всьому ЕФ спектру альбумінів кореневої меристеми, причому цей процес підсилювався протягом проростання. Синтез de novo поліпетиду з Mr 148 кД відмічався тільки на сьому добу проростання. Зареєстрована також значна активація накопичення поліпептидів з Mr в області 50.2-87.1 кД.

Таким чином, як за окремої дії важких металів, так і комбінованої, окрім змін загальної інтенсивності білків, відбуваються активні якісні перебудови в білковій системі твірних тканин. Зниження інтенсивності загального білкового синтезу є типовим проявом захисної реакції рослинних клітин від ушкоджуючої дії несприятливих чинників середовища. Для кожного виду  дії стрес-чинника та стадії проростання характерним був свій специфічний пул поліпептидів. Для комбінованої дії ксенобіотиків основною тенденцією, особливо на останньому етапі проростання, було гальмування накопичення більшості білкових компонентів, а для окремої - процес адаптації проростків кукурудзи здійснювався в основному за рахунок якісних перебудов (поява/зникнення поліпептидів з певними значеннями Mr) у білоксинтезуючому апараті клітин кореневої меристеми.

Перелік літературних посилань

1.       Кулаева О.Н., Микулович Т.П., Хохлова В.А. Стрессовые белки растений // Современные проблемы биохимии. - М.:Наука, 1991. - С.174-190.

2.       J. A. de Knecht, M. van Dillen, PLM. Koevoets, H. Schat, JAC. Verkleij, and WHO. Ernst Phytochelatins in Cadmium-Sensitive and Cadmium-Tolerant Silene vulgaris (Chain Length Distribution and Sulfide Incorporation)
Plant Physiol. 1994. – V.104, N1. – P. 255-261.

3.       Gullons A., Mackenzie A., Walden D.B. Heavy metals induce changes in polypeptide patterns of plumules and radicles // Maize Genet. Cooperat. News Letters. – 1987. – V. 60, N1. – P.92.

4.       Калакуцкий К.Л., Заболотный А.И., Львов Н.П. Белки семян люпина, связывающие молибден, вольфрам и радионуклиды выбросов Чернобыльской АЭС // Биохимия. – 1991. – Т.56, вып.7. – С.1220-1227.

5.       Levinson W., Oppermann H., Jackson S. Transition series metals and sulfhydryl reagents induce the synthesis of four proteins in eukaryotic cells // Biochim. Biophys. Acta. - 1980. - Vol.606. - P.170-180.

6.       Феник С.И., Трофимяк., Блюм Я.Б. Механизмы формирования устойчивости растений к тяжелым металлам // Успехи совр. биол., 1995. – Т.115, вып.3 – С.261-274.

7.       Bradford M.M. A rapid and sensitive method for quantitation of microgramm quantities of protein utilizing the principle of protein dye binding // Anal. Biochem. – 1976. – P. 248-254.

8.       Laemmli U.K. Cleavage of structural proteins during the assembly of the head of bacteriophage T4 // Nature. - 1970. - Vol.227, №52-59. - P.680.