Осмопротектор - Osmoprotectant

Осмопротекторы или же совместимые растворенные вещества представляют собой небольшие органические молекулы с нейтральным зарядом и низкой токсичностью при высоких концентрациях, которые действуют как осмолиты и помочь организмам выжить в экстремальных условиях осмотический стресс.[1] Осмопротекторы можно разделить на три химических класса: бетаины и связанных молекул, сахаров и полиолы, и аминокислоты. Эти молекулы накапливаются в клетках и уравновешивают осмотическую разницу между окружением клетки и окружающей средой. цитозоль.[2] У растений их накопление может увеличить выживаемость во время стрессов, таких как засуха. В крайних случаях, например, в бделлоидные коловратки, тихоходки, рассольная креветка, и нематоды, эти молекулы могут позволить клеткам выжить, будучи полностью высохшими, и позволить им войти в состояние приостановленной анимации, называемое криптобиоз.[3]

Концентрации внутриклеточного осмопротектора регулируются в зависимости от условий окружающей среды, таких как осмолярность и температуры за счет регулирования конкретных факторы транскрипции и транспортеры. Было показано, что они играют защитную роль, поддерживая ферментативную активность в циклах замораживания-оттаивания и при более высоких температурах. В настоящее время считается, что они действуют за счет стабилизации белковых структур, способствуя преимущественному исключению из водных слоев на поверхности гидратированных белков. Это способствует естественной конформации и вытесняет неорганические соли, которые в противном случае вызывали бы неправильную укладку.[4]

Роль

Совместимые растворенные вещества играют важную роль в сельском хозяйстве. В условиях высокого стресса, таких как засуха или высокая засоленность, растения, которые естественным образом создают или поглощают осмопротекторы, демонстрируют повышенную выживаемость. Вызывая экспрессию или поглощение этих молекул в культурах, в которых они не присутствуют в природе, увеличивается площади, на которых они могут расти. Одной из задокументированных причин ускоренного роста является регулирование токсичных активные формы кислорода (ROS). В условиях высокой солености производство АФК стимулируется фотосистемы завода. Осмопротекторы могут предотвращать взаимодействие фотосистемы и соли, снижая выработку АФК. По этим причинам внедрение биосинтетических путей, которые приводят к созданию осмопротекторов в сельскохозяйственных культурах, является современной областью исследований, но индукция экспрессии в значительных количествах в настоящее время создает барьер в этой области исследований.[5]

Осмопротекторы также важны для поддержания популяций бактерий в верхнем слое почвы. Осушение верхнего слоя почвы приводит к увеличению засоления. В этих ситуациях почвенные микробы увеличивают концентрацию этих молекул в своей цитоплазме до молярного диапазона, позволяя им сохраняться до тех пор, пока не позволят условия.[2] В крайних случаях осмопротекторы позволяют клеткам проникать в криптобиоз. В этом состоянии цитозоль и осмопротекторы превращаются в стеклообразное твердое вещество, которое помогает стабилизировать белки и клеточные мембраны от повреждающего воздействия высыхания.[6]

Кроме того, осмопротекторы обеспечивают способ регулирования экспрессии генов в ответ на осмолярность окружающей среды. Было показано, что присутствие совместимых растворенных веществ даже в малых концентрациях влияет на экспрессию генов. Их эффекты варьируются от стимулирования выработки более совместимых растворенных веществ до регуляции компонентов, участвующих в инфекции, таких как фосфолипаза C в Синегнойная палочка.[7]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Lang F (октябрь 2007 г.). «Механизмы и значение регуляции клеточного объема». Журнал Американского колледжа питания. 26 (5 Прил.): 613S – 623S. Дои:10.1080/07315724.2007.10719667. PMID  17921474.[постоянная мертвая ссылка ]
  2. ^ а б Кемпф, Беттина; Бремер, Эрхард (октябрь 1998 г.). «Стрессовые реакции Bacillus subtilis на среду с высокой осмолярностью: поглощение и синтез осмопротекторов». Журнал биологических наук. 23 (4): 447–455. Дои:10.1007 / BF02936138.
  3. ^ Sussich F, Skopec C, Brady J, Cesàro A (август 2001 г.). «Обратимое обезвоживание трегалозы и ангидробиоз: от растворенного состояния к экзотическому кристаллу?». Исследование углеводов. 334 (3): 165–76. Дои:10.1016 / S0008-6215 (01) 00189-6. PMID  11513823.
  4. ^ Бург, Морис Б .; Феррарис, Джоан Д. (21 марта 2008 г.). «Внутриклеточные органические осмолиты: функция и регуляция». Журнал биологической химии. 283 (12): 7309–7313. Дои:10.1074 / jbc.R700042200. ЧВК  2276334. PMID  18256030.
  5. ^ Сингх, Мадхулика; Кумар, Джитендра; Сингх, Самикша; Сингх, Виджай Пратап; Прасад, Шео Мохан (25 июля 2015 г.). «Роль осмопротекторов в улучшении засоления и засухоустойчивости растений: обзор». Обзоры в науках об окружающей среде и био / технологиях. 14 (3): 407–426. Дои:10.1007 / s11157-015-9372-8.
  6. ^ Кроу Дж. Х., Карпентер Дж. Ф., Кроу Л. М. (1998). «Роль витрификации при ангидробиозе». Ежегодный обзор физиологии. 60: 73–103. Дои:10.1146 / annurev.physiol.60.1.73. PMID  9558455.
  7. ^ Shoriridge, Virginia D .; Лаздунски, Андре; Василь, Михаил Л. (апрель 1992 г.). «Осмопротекторы и фосфат регулируют экспрессию фосфолипазы С у синегнойной палочки». Молекулярная микробиология. 6 (7): 863–871. Дои:10.1111 / j.1365-2958.1992.tb01537.x.