Лаборатория фотосинтетического электронного транспорта

Заведующий лабораторией  — доктор биологических наук Иванов Борис Николаевич.

В лаборатории работают два доктора наук, 9 кандидатов наук, из которых 7 защитили диссертации, выполненные в лаборатории. В настоящее время в лаборатории два аспиранта. Ежегодно лаборатория принимает студентов на курсовые и дипломные работы. Лаборатория сотрудничает с лабораториями России и многих стран мира (Франция, США, Япония, Германия, Финляндия и др.). Официально утвержденная тема лаборатории  «Взаимодействие фотосинтетического электронного транспорта и реакций трансформации неорганического углерода в растениях».

Подробно изучаются следующие проблемы:

  • как происходит образование активных форм кислорода (АФК) в фотосинтетической электрон-транспортной цепи (ФЭТЦ) и каковы механизмы передачи посредством АФК сигналов системам адаптации растений; в последнем случае ФЭТЦ изучается как сенсор состояния растения в изменяющихся условиях окружающей среды;
  • какова роль карбоангидраз, ферментов, обеспечивающих ускорение обратимой конверсии бикарбонат↔СО2,в транспорте неорганического углерода к центрам карбоксилирования в хлоропластах и в использовании молекул неорганического углерода и протонов в метаболических процессах в хлоропласте и в клетке.

Краткое введение в научные проблемы

Фотосинтетическая электрон-транспортная цепь – система расположенных в хлоропластах белковых и небелковых молекул, которые обеспечивают отрыв электронов от молекул воды и перенос этих электронов в конечном счете на молекулу углекислого газа, СО2. Сам процесс называется фотосинтетическим электронным транспортом, а молекулы, участвующие в последовательной передаче электрона друг другу называются переносчиками электронов. Движущая сила переноса электронов от воды к молекуле СО2 – энергия квантов света, которая в двух пигмент-белковых комплексах, входящих в электрон-транспортную цепь, называемых Фотосистема 1 и Фотосистема 2, приводит к разделению зарядов, обеспечивая электрону высокий восстановительный потенциал. Результатом всего процесса оказывается как появление кислорода, которым дышат почти все обитатели Земли, так и включение углекислого газа в органические молекулы, в результате чего из маленького зернышка вырастает могучее дерево.

Живая клетка – сложная система, в которой протекает множество химических реакций (называемых в данном случае биохимическими), но она является живой только тогда, когда эти реакции протекают в ней согласовано (скоординировано). Последнее обеспечивается непрерывным обменом сигналами между этими реакциями, а также сигналами о состоянии других клеток. В последние годы именно проблема сигналинга стала одной из самых важных и изучаемых в биологии. И оказалось, что в большинстве случаев первичными сигналами выступают активные формы кислорода (АФК), – и в клетках животных и человека, и в клетках растений. К активным формам кислорода относят синглетный кислород, супероксидный анион-радикал, перекись водорода, гидроксильный радикал. В растениях АФК образуются, в основном, в результате функционирования фотосинтетической электрон-транспортной цепи. Без знания механизмов возникновения АФК трудно  понять их функции в клетке. Каковы эти механизмы? Как возникают АФК в клетке? Работами лаборатории были обнаружены новые механизмы генерации АФК в фотосинтетической электрон-транспортной цепи, и ситуация оказалась интересней, чем представлялось ранее, и работа активно продолжается.

А как АФК работают в качестве сигнальных молекул? В лаборатории развиваются работы по поиску путей сигнала, инициируемого образованием АФК, из хлоропласта в ядро клетки для регулирования экспрессии  генов. В последние годы активно изучается участие АФК в развитии стрессового ответа растения на изменения в окружающей среде или на заражение микроорганизмами. Стресс – неспецифическая реакция организма на любое слишком сильное воздействие, т.е. возникновение в организме таких одинаковых изменений, которые позволяют ему сохранить себя при любых изменениях, угрожающих его существованию. Оказалось, что общим в таких изменениях является повышение образования АФК. Надо сказать, что еще лет 20 назад, АФК считались однозначно вредными молекулами, поскольку они могут разрушать основные молекулы жизни, белки и нуклеиновые кислоты. И буквально в последние годы все изменилось. Но в чем состоит роль АФК в развитии стресса? Только ли вследствие их участия в передаче внутри- и межклеточных сигналов? Как запускается процесс их повышенного возникновения? Как «вредные» свойства АФК приносят пользу живой клетке?

Карбоангидразы –ферменты  (биологические катализаторы), ускоряющие обратимую реакцию гидратации двуокиси углерода (углекислого газа, СО2) с образованием бикарбоната и протона, СО2 + Н2О ↔ НСО3− + Н+. Прямая и обратная реакции обязательно протекают в клетке, поскольку СО2 и вода есть везде, а протоны участвуют во всех без исключения биохимических процессах, в частности, с их участием синтезируется АТФ, главная энергетическая «валюта» клетки. Но эти реакции протекают относительно медленно «с точки зрения клетки». Вот и возникли карбоангидразы. Они настолько важны для Жизни, что в процессе эволюции возникали несколько раз на разных ее стадиях.

Ферменты эти обнаружены в клетках всех живых организмов – бактерий, грибов, растений и животных. В организме млекопитающих они участвуют в обмене углекислого газа на кислород в эритроцитах, в регуляции pH, в обновления костной ткани, в функционировании почек и еще во многих других процессах. Недостаток карбоангидраз может быть непосредственной или косвенной причиной ряда заболеваний человека и животных. А что они делают в растениях? Это вопрос, на который практически нет ответа. Наверное, для растений они не менее важны, чем для животных, поскольку, например, у высшего растения Arabidopsis thaliana, в относительно небольшом геноме найдено 19 генов, кодирующих разные карбоангидразы. Карбоангидразы были обнаружены во всех органеллах растительной клетки, часто несколько изоформ в одной органелле. Работами  лаборатории было установлено наличие не менее четырех карбоангидраз в хлоропласте, были выявлены растворимые и мембранные изоформы фермента. Можно утверждать, что карбоангидразы должны участвовать в фотосинтезе, но каково это участие? Какое функциональное значение имеет то, что они ускоряют написанные выше реакции? С какими структурами фотосинтетического аппарата они связаны?

Пути решения проблем

Мы ищем ответы на поставленные выше вопросы. Получение правильных ответов обеспечивает квалификация сотрудников лаборатории и методическая оснащенность лаборатории и института.  В лаборатории используется множество методов, позволяющих проводить эксперименты, которые обеспечивают получение новых знаний об окружающем нас мире, в данном случае мире растений, и о важнейшем процессе в этом мире, фотосинтезе.
Растения выращиваются в камерах с регулируемыми условиями. Осуществляется выделение из растений отдельных клеток, внутриклеточных структур, белков и нуклеиновых кислот. При изучении структур и функций разнообразных составляющих клетки используются:

  • физические и физико-химические методы: спектрофотометрия, флуорометрия, полярография, электронный парамагнитный резонанс и др.;
  • биохимические методы: определение содержания в растениях различных соединений, измерения скоростей биохимических реакций, разделительная и аффинная хроматография, электрофорез белков и нуклеиновых кислот в гелях и др.;
  • методы молекулярной биологии: полимеразная цепная реакция (ПЦР) (для исследования экспрессии генов), имунноблотинг и др.
  • Используются мутанты с нокаутированными генами, кодирующими карбоангидразы и другие  белки клеток, разработан алгоритм исследования мутантных растений, позволяющий обнаружить участие изучаемого белка в метаболизме растения.

Предлагаемые темы дипломных работ и магистерских и кандидатских диссертаций
(темы могут быть модифицированы с учетом пожеланий студентов и/или организаций, направивших студентов в ИФПБ РАН)

  1. Участие пластохинона в образовании и детоксикации активных форм кислорода в растительных и животных клетках (Руководитель Борисова Мария Мансуровна).
  2. Адаптационные механизмы защиты биологических структур в стрессовых условиях (Руководитель Борисова Мария Мансуровна).
  3. Влияние хаотропных и космотропных агентов на образование активных форм кислорода в фотосинтетической электрон-транспортной цепи (Руководитель Козулева Марина Алексеевна).
  4. Обнаружение генерации синглетного кислорода в фотосистеме 1 фотосинтетической электрон-транспортной цепи (Руководитель Козулева Марина Алексеевна).
  5. Влияние нокаутной мутации генов, кодирующих растворимые карбоангидразы хлоропластов на фотосинтез Arabidopsis thaliana  (Руководитель Игнатова Людмила Казимировна).
  6. Влияние специфических ингибиторов карбоангидраз на карбоангидразную активность пигмент-белковых комплексов фотосистемы 1 и фотосистемы 2, выделенных из листьев арабидопсиса  (Руководитель Игнатова Людмила Казимировна).
  7. Влияние концентрации СО2 в  воздухе на уровень экспрессии генов, кодирующих карбоангидразы высших растений, и на активность этих карбоангидраз в фотосинтезирующих клетках (Руководитель Руденко Наталья Николаевна).

Сотрудники лаборатории – руководители студенческих работ

Борисова Мария Мансуровна

Игнатова Людмила Казимировна

Козулева Марина Алексеевна

Руденко Наталья Николаевна