УДК 581.1

РОЛЬ ВАКУОЛИ В РЕДОКС-ГОМЕОСТАЗЕ РАСТИТЕЛЬНЫХ КЛЕТОК

© 2012 г. И. М. Андреев 

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки

Институт физиологии растений им. К.А. Тимирязева РАН, Москва

Поступила в редакцию 11.10.2011 г.

Обзор, в котором рассмотрены конкретные механизмы участия вакуоли растительных клеток в поддержании их редокс-гомеостаза в условиях абиотических стрессов различной природы, обуславливающих генерацию в них активных форм кислорода (АФК). Показано, что действие этих механизмов основано как на функционировании особых транспортных и ферментативных систем тонопласта, так и на специфических редокс-реакциях, протекающих внутри вакуоли с участием в них вакуолярных антиоксидантов ферментативной и неферментативной природы. Проявление антиоксидантной роли вакуоли в растительных клетках является ясным примером тесной интеграции активности этой органеллы с активностями остальной части клетки.

 

Ключевые слова: высшие растения - вакуоль - окислительный стресс - активные формы кислорода

 

-----------------------------------------

Адрес для корреспонденции: Андреев Игорь Михайлович. 127276 Москва, Ботаническая ул., 35. Институт физиологии растений им. К.А. Тимирязева РАН. Факс: 8 (495) 977-80-18; электронная почта: pmembrane@ippras.ru

ВВЕДЕНИЕ

Известно, что уникальной и отличительной особенностью растительных клеток, в том числе клеток высших растений, является наличие в них вакуоли, наиболее крупной внутриклеточной органеллы, выполняющей самые разнообразные клеточные функции и. тем самым, участвующей в интеграции и регуляции клеточного метаболизма [1-3]. Благодаря включению вакуоли в различные аспекты внутриклеточного гомеостаза ее активность, как показали результаты многочисленных исследований, является очень важным детерминантом устойчивости растительных клеток к действию на них абиотических стрессов различной природы (см. [3-6] и цитируемые там работы). В частности, убедительно доказана роль вакуоли в реализации защитных реакций растительных клеток, запускаемых действием на них осмотического и солевого стресса, а также тяжелых металлов [7-11]. Вместе с тем, несмотря на тот факт, что к настоящему времени накапливаются также данные, свидетельствующие об активностях рассматриваемой органеллы в защите растительных клеток от окислительного стресса, об этом аспекте функционирования вакуоли на сегодняшний день известно гораздо меньше [12-15]. Протекторное, т.е. антиоксидантное, действие растительных вакуолей, способное приводить к снижению внутриклеточного уровня активных форм кислорода (АФК), представляется особенно важным для фотосинтезирующих растительных клеток, которые не только используют кислород для продукции энергии в ходе окислительного фосфорилирования в митохондриях, но также генерируют его в процессе фотосинтеза. Именно по этой причине такие клетки вынуждены функционировать в условиях повышенного внутриклеточного содержания кислорода, способствующих генерации в них АФК. Хотя до настоящего времени возможное включение вакуоли в редокс-гомеостаз растительных клеток еще не стало предметом пристального внимания исследователей, имеются серьезные основания считать эту внутриклеточную органеллу активным участником данного процесса. Эти основания состоят в следующем. Во-первых, известно, что во многих растительных клетках вакуоль занимает более 95% клеточного объема. Во-вторых, имеются данные о том, что в условиях стресса вакуоль/тонопласт часто претерпевают необычные структурные изменения, сопряженные с запуском в клетках защитных, адаптивных механизмов [4]. В-третьих, установлено, что именно в этих условиях вакуоли способны накапливать целый ряд соединений, обладающих сильным антиоксидантным действием (сахара, антоцианы, бетацианины, алкалоиды, фенольные соединения и др.), что может быть важным фактором в реализации их еще мало исследованной роли в регуляции уровня АФК в клетках растений [3]. 

Настоящая работа, представляющая собой обзор литературы, посвящена рассмотрению вопроса о том, посредством каких конкретно механизмов вакуоль растительных клеток способна включаться в защиту их от окислительного стресса. Изложенные здесь результаты исследований, проведенных в последние годы, свидетельствуют об активной роли вакуоли в редокс-гомеостазе клеток высших растений. 

 

ОБЩАЯ СТРАТЕГИЯ, ИСПОЛЬЗУЕМАЯ РАСТИТЕЛЬНЫМИ КЛЕТКАМИ ДЛЯ ЗАЩИТЫ ИХ ОТ ОКИСЛИТЕЛЬНОГО СТРЕССА С УЧАСТИЕМ ВАКУОЛИ

 

Имеющиеся в литературе данные показывают, что защита растительных клеток от окислительного стресса базируется на использовании ими для этого целого ряда механизмов, действие которых реализуется на различных стадиях метаболизма АФК. Эти механизмы включают в себя ингибирование продукции АФК, трансформацию их в неактивные формы кислорода, а также удаление из цитозоля биополимеров или даже целых органелл, поврежденных в результате действия на них АФК и поэтому ставших опасными для клеточного метаболизма [2, 3, 16, 17]. Согласно изложенным ниже данным, вакуоль как самая крупная органелла растительных клеток способна включаться во все эти три механизма защиты от окислительного стресса, причем действие последних двух механизмов теснее всего связано с функционированием вакуоли. 

Хорошо известно, что во многих своих функциональных проявлениях вакуоль растительной клетки ведет себя по отношению к цитозолю, как своего рода аналог внеклеточной среды [2, 17, 18]. Поэтому при окислительном стрессе можно ожидать функционирования вакуолярного компартмента подобно апопласту, где обычно происходит делокализованная детоксикация Н2О2, одной из форм АФК, образуемой внутри клетки в различных, в том числе стрессовых, условиях и способной легко диффундировать через плазмалемму во внеклеточную среду. Согласно такой концепции, вакуоль растительной клетки должна вести себя как ловушка или внутриклеточный сток АФК и такое поведение вакуоли, как будет показано ниже, действительно согласуется с имеющимися в литературе данными, указывающими на действие внутри этого компартмента ряда систем, вызывающих детоксикацию АФК. Более того, эти же системы вакуолярного происхождения, как недавно выяснилось, способны включаться также в защиту от окислительного стресса как самой вакуолярной мембраны, так и наружной клеточной мембраны растительных клеток, плазмалеммы, за счет переноса путем экзоцитоза соответствующих антиоксидантных соединений вакуолярной природы в апопласт [19].

Еще одна важная особенность функционирования вакуоли как внутриклеточного редокс-буфера состоит в том, что вся совокупность биохимических реакций, протекающих внутри этой органеллы, организована таким образом, что в итоге сама она ведет себя не как генератор АФК, а, наоборот, выступает как весьма эффективный тушитель активного кислорода. При этом удаление последнего из вакуоли происходит независимо от механизма его генерации или появления внутри данной органеллы. 

Рассмотренная здесь в общих чертах стратегия антиоксидантного действия вакуоли, направленного на защиту растительных клеток от окислительного стресса, схематически представлена на рис. 1.

 

ВОЗМОЖНЫЕ МЕХАНИЗМЫ УЧАСТИЯ ВАКУОЛИ В ДЕТОКСИКАЦИИ АФК 

В КЛЕТКАХ РАСТЕНИЙ

 

Механизмы, основанные на действии вакуолярных антиоксидантов 

ферментативной природы

 

В настоящее время известно, что подобно другим клеточным компартментам антиоксидантная система вакуолей клеток высших растений включает в себя компоненты как ферментативной, так и неферментативной природы. 

К числу ферментов такого рода, наиболее исследованных на сегодняшний день с точки зрения их функционирования как тушителей АФК внутри растительных вакуолей, следует отнести пероксидазы (ПО) класса III, участвующие, как известно, в метаболизме вторичных соединений в растениях. Эти ферменты локализованы как в клеточной стенке, т.е. апопласте, так и в вакуоли, которая является местом субклеточной аккумуляции указанных соединений. Хотя о физиологической функции вакуолярных ПО пока известно мало, совсем недавно получены данные, указывающие на весьма существенную роль этих ферментов в контроле уровня Н2О2 в фотосинтезирующих клетках растений при окислении ими ряда вакуолярных субстратов фенольной природы за счет использования перекиси водорода в качестве акцептора электронов [13, 20-23]. Очевидно, что в этом случае активность рассматриваемых ферментов служит одним из детерминантов действия вакуоли как внутриклеточной ловушки АФК, способных генерироваться в других компартментах клетки, если принять во внимание относительно высокую проницаемость тонопласта, как и других клеточных мембран, для Н2О2. Наличие ПО в апопласте и вакуоли является характерной особенностью этих субклеточных компартментов, которые служат также местом аккумуляции в растительных клетках большинства вторичных метаболитов, способных функционировать в роли субстратов ферментов данного типа. Как недавно показано, радикалы вторичных метаболитов, образующиеся внутри вакуоли в ходе восстановления Н2О2 до воды с участием ПО, способны регенерироваться до исходных соединений в их реакции с аскорбиновой кислотой, так как все необходимые участники данной реакции (фенолы, аскорбат и ПО) присутствуют в вакуоли в значительных концентрациях [24]. Хотя известно, что ПО, помимо пероксидазной, классической, способны также катализировать оксидазную реакцию, связанную с переносом электронов на О2 при использовании НАД×Н в качестве их донора и генерацией таким путем О2-. и Н2О2 [25], эта реакция не может происходить внутри вакуоли с участием вакуолярных ПО не только по причине отсутствия в ней НАД×Н, но и из-за неспособности его проникать из цитозоля внутрь вакуоли в силу невозможности проходить его через тонопласт и другие клеточные мембраны. Важно отметить здесь, что возможно в силу тех же причин ПО, присутствующие в апопласте растительных клеток, также не способны служить генераторами АФК, в частности супероксид-аниона, которые, как известно, требуются для запуска реакций, участвующих в биосинтезе полимеров клеточной стенки. Вместе с тем, в настоящее время в литературе имеются также данные [26-30], предположительно указывающие на действие в вакуоли механизма генерации АФК, подобного тому, что реализуется в системе плазмалемма-апопласт и основанного на функционировании в тонопласте НАДФ×Н-оксидазы и локализованной в вакуолярном люмене или на поверхности этой же мембраны супероксиддисмутазы. Эти данные получены на основе протеомного анализа мембранных белков тонопласта [26, 29], цитохимической визуализации супероксид-аниона вблизи вакуолярной мембраны [27], а также результатов биохимических исследований, связанных с идентификацией ферментов рассматриваемого типа [28, 30]. Однако прямые и убедительные доказательства функционирования их в вакуолярном компартменте пока отсутствуют, в силу чего цитируемые здесь данные требуют еще экспериментальной проверки. Кроме того, пока открытым остается также важный вопрос, касающийся функционального назначения АФК-генерирующих ферментов, предположительно присутствующих в вакуоли. В этой связи следует отметить, что известное присутствие супероксид-продуцирующей НАДФ×Н-оксидазы в мембране лизосом животных клеток [31] и фагоцитов [32], своего рода аналогов растительных вакуолей, еще не является достаточным основанием обязательного наличия подобного фермента и в тонопласте растительных клеток.

Рассмотренные здесь механизмы тушения АФК в вакуоли с участием редокс-активных ферментов, функционирующих или предположительно способных функционировать в этом внутриклеточном компарменте, схематически показаны на рис. 2.

 

Механизмы, основанные на действии вакуолярных антиоксидантов 

неферментативной природы

 

Компоненты антиоксидантной системы вакуоли неферментативного типа включают в себя целый ряд низкомолекулярных соединений, уже упомянутых выше, способных накапливаться внутри этой органеллы до весьма высоких концентраций и, тем самым, выполнять не только осмотическую, но и функцию защиты растительных клеток от окислительного стресса. Их защитная роль данного типа во многом обусловлена некоторыми специфическими свойствами таких соединений, определяющими их способность участвовать в редокс-реакциях, протекающих внутри вакуоли.

 

Сахара, накапливаемые в вакуоли, в роли антиоксидантов

 

Прежде всего, заслуживает внимания рассмотрение защитных эффектов накапливаемых в вакуолях в значительных концентрациях простых растворимых сахаров, таких как сахароза. Интересно отметить, что до сих пор считалось, что их антиоксидантное действие не является прямым и носит лишь косвенный характер, причем оно приписывалось проявлению просто сигнальной роли сахаров, обуславливающей запуск реакций, приводящих к продукции специфических соединений, способных улавливать АФК [33]. Однако проведенные в последние годы исследования антиоксидантной способности сахаров в условиях in vitro показали, что эта их способность определяется непосредственно самой химической структурой таких соединений, и она оказывается сравнимой и даже выше той, что обнаруживают хорошо известные классические антиоксиданты, такие как аскорбат и глутатион [34, 35]. В ходе этих исследований выяснилось, что среди простых растворимых сахаров, накапливаемых в вакуолях растений, наибольшей антиоксидантной активностью обладает сахароза как соединение, содержащее наибольшее число гидроксильных групп, в первую очередь, атакуемых АФК (прежде всего, гидроксильными радикалами). Это число, как было установлено, лучше всего коррелирует со способностью соединения улавливать свободные радикалы. Цитируемые здесь результаты исследований также дают основание полагать, что образуемые в ходе окисления под действием АФК гораздо менее опасные радикалы сахарозы в условиях in vivo могли бы легко превращаться в исходное соединение, обеспечивая тем самым более эффективное тушение активного кислорода. Очевидно, что в клетках сахаронакапливающих тканей растений, таких как корнеплоды сахарной свеклы, сахарный тростник, ткани флоэмы и др., характеризующихся высокими концентрациями сахарозы в их вакуолях, отмеченная здесь выраженная способность ее вызывать детоксикацию активного кислорода может быть важным фактором, защищающим тонопласт и другие клеточные мембраны от повреждающего действия на них АФК. Необходимо отметить здесь, что само осознание исследователями способности сахарозы вести себя в растениях, как эффективный антиоксидант, произошло только в последние годы, поскольку ранее соответствующие исследования в этом направлении проводились в основном на растениях арабидопсиса, которые, в отличие от большинства других растений, содержат весьма низкие концентрации этого углевода [36].

К числу сахаров, способных накапливаться в вакуоли и вести себя как антиоксиданты, относятся также фруктаны. Эти соединения, обнаруженные также в апопласте растительных клеток [19, 37, 38], могут быть представлены как мономерами, так и полимерами с различной степенью полимеризации. Подобно сахарозе фруктаны только недавно приобрели статус типичных антиоксидантов в растениях ввиду обнаруженной способности их in vitro эффективно удалять свободные радикалы кислорода в тканях не только растительного, но и животного происхождения [39, 40]. Поскольку фруктаны способны достаточно глубоко проникать в клеточные мембраны [41], предполагается, что в такой форме они способны легко выполнять свою защитную функцию, предотвращая перекисное окисление мембранных липидов и превращаясь при этом в гораздо менее опасные фруктан-радикалы (рис. 2). Упомянутый здесь процесс перекисного окисления липидов тонопласта может индуцироваться из-за продукции в вакуоли вблизи этой мембраны весьма токсичных радикалов ОН. и ООН., образуемых в ней вакуолярными ПО класса III при восстановлении ими перекиси водорода. Постулируется, что образуемые при этом свободные радикалы фруктанов могли бы быстро восстанавливаться до исходных соединений с участием в таких редокс-реакциях классических антиоксидантов, упомянутых выше или других вакуолярных антиоксидантов. Этот процесс регенерации фруктанов является важной стадией тушения АФК или удаления их из вакуоли. Частичная деградация фруктанов до соответствующих соединений с пониженной степенью полимеризации наблюдается в некоторых растениях при холодовом стрессе [38, 42]. Этот процесс может быть связан, по мнению ряда авторов, с необходимостью генерации в таких условиях большого числа молекул, обладающих повышенной способностью тушить АФК, таких как сахароза и низкомолекулярные фруктаны. Их пул способен заметно возрастать при низких температурах из-за развития окислительного стресса [38]. В частности, предполагается, что усиление стабилизирующего эффекта низкомолекулярных фруктанов на клеточные мембраны, в том числе на тонопласт, является основной причиной их индуцированной генерации при окислительном стрессе. 

Функционирование фруктанов как антиоксидантов не ограничивается, как выяснилось, их действием как ловушек АФК, так как эти соединения способны также косвенным образом активировать другие специфические механизмы защиты растительных клеток от токсических форм кислорода. В частности, в фруктан-аккумулирующих растениях наблюдается тесная корреляция между изменениями в концентрации фруктанов и соответствующими изменениями в концентрациях аскорбата и восстановленного глютатиона, хорошо известными цитоплазматическими антиоксидантами (см. [19, 24] и цитированные там работы). Это указывает на существование тесной взаимосвязи между активностями вакуолярной и цитоплазматической антиоксидантных систем.

Тот известный факт, что накопление различных сахаров в клетках растений наблюдается, как правило, при водном дефиците или действии на них холодового стресса, дает основание полагать, что именно в этих стрессовых условиях можно ожидать реализации антиоксидантного, защитного действия соединений такого рода, в том числе фруктанов, в вакуоли.

 

Фенольные соединения, накапливаемые в вакуоли, в роли антиоксидантов

 

В последние годы установлено, что накапливаемые в растительных вакуолях соединения фенольной природы также способны выступать здесь в роли антиоксидантов [43]. Соединения такого типа, лучше всего исследованные на сегодняшний день в отношении их антиоксидантной активности, представлены флавоноидами, в том числе анто- и бетацианинами. Показано, что эта активность реализуется с участием вакуолярных пероксидаз, которые катализируют окисление фенольных субстратов, приводящее к восстановлению перекиси водорода, в классической пероксидазной реакции, осуществляемой данными ферментами [43, 44]. Важно также отметить в этой связи, что считаемая ранее установленной основная роль флавоноидов как своего рода экранирующих пигментов в защите растительных клеток от ультрафиолетовой солнечной радиации (УФ-B), возникающей при очень высоких интенсивностях падающего света, в настоящее время поставлена под сомнение под напором новых, недавно полученных экспериментальных фактов. Последние согласуются с представлением о том, что на высоком свету в результате генерации АФК в клетках растений в них стимулируется биосинтез флавоноидных гликозидов, которые, в свою очередь, препятствуют образованию активного кислорода из-за их способности функционировать в качестве антиоксидантов [42, 45].

Защитная, антиоксидантная роль флавоноидов, представленных бетацианинами, недавно ясно продемонстрирована в листьях галофита Suaeda japonica Makino, где их синтез в заметной степени индуцируется при низкой температуре и высоких интенсивностях света, т.е. в условиях, обуславливающих развитие фотоингибирования процесса фотосинтеза [46].

Все эти данные дают веские основания полагать, что существенная роль вакуоли в редокс-гомеостазе растительных клеток может быть опосредована флавоноидами. При этом предполагается, что фенольные соединения, накапливаемые в вакуолях, способны участвовать в защите растительных клеток от АФК, генерируемых при различных видах абиотического стресса, в том числе на высоком свету, как это упомянуто выше, а также в условиях, приводящих к аккумуляции фруктанов в вакуолях. В этом последнем случае образуемые в вакуолях фруктан-радикалы могли бы обратно превращаться в исходные сахара, фруктаны, с помощью фенольных соединений, таких как антоцианы [24].

 

Механизмы, основанные на активностях транспортных систем тонопласта и транспорте образуемых из него везикул в апопласт

 

Имеющиеся в литературе данные [12, 47-49], полученные в основном на клетках дрожжей, также показывают, что вакуоль способна участвовать в защите клеток от окислительного стресса, используя для этого совершенно иной механизм, основанный на интеграции ее активности с активностями соответствующих компонентов системы детоксикации АФК, локализованных в цитозоле. В этом случае токсические соединения, образуемые в результате действия АФК, удаляются в вакуоль после их глютатионирования в цитозоле, катализируемого здесь глютатион-S-трансферазами. Перенос в вакуолярный люмен соответствующих глютатион-S-конъюгатов осуществляется благодаря функционированию в тонопласте особого насоса, представителя семейства АВС-транспортеров, непосредственно энергизируемого АТФ и ответственного за внутриклеточную детоксикацию разного рода ксенобиотиков [47, 49]. Существенно также отметить, что эта же транспортная система тонопласта в условиях окислительного стресса способна включаться и в транспорт окисленного глютатиона в вакуоль, рассматриваемый как важный процесс, обеспечивающий редокс-гомеостаз цитозоля или, иначе говоря, поддержание этого компартмента в относительно восстановленном состоянии [50, 51]. Хотя рассмотренный выше механизм тушения активного кислорода с участием вакуоли на сегодняшний день лучше всего исследован на клетках дрожжей, где эта органелла играет важную роль в удалении из цитозоля гидроперекисей различной природы [48], а также ряда тяжелых металлов [48], он предположительно действует и в растительных клетках [52].

Участие транспортных систем тонопласта в детоксикации АФК может происходить и путем модуляции активностью вакуоли уровня железа в цитоплазме, где, как известно, ионы этого металла способны функционировать в качестве редокс-активных центров целого ряда ферментов и белков, обладающих оксидоредуктазной активностью [12, 53]. Вакуолярная компартментация ионов железа, ответственная за регуляцию цитоплазматической концентрации Fe2+ и, тем самым, устойчивость клеток к окислительному стрессу, обусловленному действием на них высоких концентраций FeSO4, совсем недавно продемонстрирована на примере клеток дрожжей [12].

Как уже было упомянуто выше, редокс-реакции, обуславливающие антиоксидантную роль вакуоли, могут происходить не только в пределах самой этой органеллы, но и вне вакуоли. Такое неожиданное ее поведение оказывается сходным с поведением лизосом животных клеток, где путем экзоцитоза, а именно транспорта везикул, формируемых из лизосомальной мембраны и направляемых к поверхности клетки, редокс-активные компоненты внутрилизосомальной среды становятся локализованными с наружной стороны плазматической мембраны [54]. В случае растительных вакуолей в основе подобного процесса должен лежать экзоцитоз везикул, формируемых из тонопласта, способный действовать как эффективная система для доставки антиоксидантов, таких как фруктаны и сахароза, в апопласт растительной клетки [19].

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

 

Резюмируя приведенные выше данные, важно отметить, что рассмотренные здесь механизмы участия вакуоли в редокс-гомеостазе растительных клеток далеко не являются исчерпывающими, причем многие их них требуют еще очень обстоятельных исследований. Более того, свидетельства в пользу действия некоторых из этих механизмов, получены на вакуолизированных объектах нерастительного происхождения и поэтому вопрос, касающийся их возможного функционировании в клетках растений, остается пока открытым. Результаты проведенных исследований указывают также на тесное сопряжение редокс-активности вакуоли с транспортной функцией ограничивающей ее мембраны – тонопласта и даже возможное включение такой активности данной органеллы в редокс-реакции, протекающие в других частях растительной клетки.

Некоторого обсуждения заслуживает также важный вопрос, который состоит в том, имеется ли какая-либо специфика включения вакуоли в редокс-гомеостаз растительных клеток или, иначе говоря, есть ли какое-либо принципиальное отличие рассмотренной здесь ее защитной функции от соответствующего поведения других внутриклеточных органелл. В этой связи важно, прежде всего, подчеркнуть, что, как выше отмечалось, вакуоль ведет себя по отношению к остальной части клетки как своего рода аналог внеклеточной среды, и уже эта особенность заметно отличает ее от других клеточных органелл. Такое поведение вакуоли проявляется, в частности, в том, что по ряду параметров, таких как рН, рСа, а также редокс-потенциал, буферность внутривакуолярной среды гораздо меньше той, что свойственна другим клеточным компартментам (цитозоль, митохондрии, хлоропласты и др.), представляющим собой, в отличие от вакуоли, зоны весьма активного метаболизма. Повышенная вариабельность указанных параметров среды внутри вакуоли может указывать на то, что различные активности ее, в первую очередь, направлены на регуляцию соответствующих параметров окружающего ее клеточного компартмента, цитозоля и, вероятно, благодаря этому опосредованно и других клеточных органелл, но не на гомеостаз внутривакуолярной среды. Иными словами, вакуоль выступает в растительной клетке в роли интегрального компонента внутриклеточной редокс-буферной системы. По-видимому, именно в этом и состоит принципиальное отличие вакуоли от других клеточных органелл в отношении включения их в редокс-гомеостаз или защиту растительных клеток от окислительного стресса.

Автор выражает благодарность научным сотрудникам лаборатории мембран растительных клеток Института физиологии растений РАН Шевыревой Т.А. и Пиотровскому М.С. за оказанную ими помощь в изготовлении рисунков к этой статье методом компьютерного рисования.

Работа выполнена при частичной финансовой поддержке Программы фундаментальных исследований Президиума Российской академии наук “Молекулярная и клеточная биология”. 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

 

Martinoia E., Massonneau A., Frangne N. Transport Processes of Solutes across the Vacuolar Membrane of Higher Plants // Plant Cell Physiol. 2000. V. 41. P. 1175-1180.

Андреев И.М. Функции вакуоли в клетках высших растений // Физиология растений. 2001. Т. 48. С. 777-787.

Martinoia E., Maeshima M., Neuhaus H.E. Vacuolar Transporters and Their Essential Role in Plant Metabolism // J. Exp. Bot. 2007. V. 58. P. 83-102.

Reisen D., Marty F., Leborgne-Castel N. New Insights into the Tonoplast Architecture of Plant Vacuoles and Vacuolar Dynamics during Osmotic Stress // BMC Plant Biol. 2005. V. 5. P. 1-13.

Ingle R.A., Fricker M.D., Smith J.A. Evidence for Nickel/Proton Antiport Activity at the Tonoplast of the Hyperaccumulator Plant Alyssum lesbiacum // Plant Biol. 2008. V. 10. P. 746-753.

Verbruggen N., Hermans C., Schat H. Molecular Mechanisms of Metal Hyperaccumulation in Plants // New Phytol. 2009. V. 181. P. 759-776.

MacRobbie E.A.C. Osmotic Effects on Vacuolar Ion Release in Guard Cells // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2006. V. 103. P. 1135-1140.

Hamaji K., Nagira M., Yoshida K., Ohnishi M., Oda Y., Uemura T., Goh T., Sato M.H., Morita M.T., Tasaka M., Hasezawa S., Nakano A., Hara-Nishimura I., Maeshima M., Fukaki H., Mimura T. Dynamic Aspects of Ion Accumulation by Vesicle Traffic under Salt Stress in Arabidopsis // Plant Cell Physiol. 2009. V. 50. P. 2023-2033.

Silva P., Facanha A., Tavares R., Geros H. Role of Tonoplast Proton Pumps and Na+/H+ Antiport System in Salt Tolerance of Populus euphatica. Oliv. // J. Plant Growth Regul. 2010. V. 29. P. 23-34.

Maathuis F.J.M. Vacuolar Two-pore K+ Channels Act as Vacuolar Osmosensors. // New Phytol. 2011. V. 191. P. 84-91.

Migocka M., Papierniak A., Kosatka E., Klobus G. Comparative Study of the Active Cadmium Efflux Systems Operating at the Plasma Membrane and Tonoplast of Cucumber Root Cells // J. Exp. Bot. 2011. V. 62. P. 4903-4916.

Mikawa T., Kanoh J., Ishikawa F. Fission Yeast Vps1 and Atg8 Contribute to Oxidative Stress Resistance // Genes Cells. 2010. V. 15. P. 229-242.

Brunetti F.A., Ferdinando D.M., Ferrini F., Tattini M. Stress-Induced Flavonoid Biosynthesis and the Antioxidant Machinery of Plants // Plant Signal. Behav. 2011. V. 6. P. 709-711.

Ferreres F., Figueiredo R., Bettencourt S., Carqueijeiro I., Oliveira J., Gil-Izquierdo A., Pereira D.M., Valentao P., Andrade P.B., Duarte P., Barselo A.R., Sottomayor M. Identification of Phenolic Compounds in Isolated Vacuoles of the Medicinal Plant Catharanthus roseus and Their Interaction with Vacuolar Class III Peroxidase: H2O2 Affair? // J. Exp. Bot. 2011. V. 62. P. 2841-2854.

Pollastri S., Tattini M. Flavonoids: Old Compounds for Old Roles // Ann. Bot. 2011. V. 108. P. 1225-1233.

Boller T., Wiemken A. Dynamics of Vacuolar Compartmentation // Annu. Rev. Plant Physiol. 1986. V. 37. P. 137-164.

Kanki T., Klionsky D.J., Okamoto K. Mitochondria Autophagy in Yeast // Antiox. Redox Signal. 2011. V. 14. P. 1989-2001.

Matile P. Biochemistry and Function of Vacuoles // Annu. Rev. Plant Physiol. 1978. V. 29. P. 193-213.

Valluru R., van den Ende W. Plant Fructans in Stress Environments: Emerging Concepts and Future Prospects // J. Exp. Bot. 2008. V. 59. P. 2905-2916.

Kristensen B.K., Ammitzboll H., Rasmussen S.K., Nielsen K.A. Transient Expression of a Vacuolar Peroxidase Increases Susceptibility of Epidermal Barley Cells to Powdery Mildew // Mol. Plant Pathol. 2001. V. 2. P. 311-317.

Sottomayor M., Cardoso I.L., Pereira L.G., Ros Barselo A. Peroxidase and the Biosynthesis of Terpenoid Indole Alkaloids in the Medicinal Plant Catharanthus roseus (L.) G. Don. // Phytochem. Rev. 2004. V. 3. P. 159-171.

Zimmermann P., Hirsch-Hoffmann M., Hennig L., Gruissem W. GENEVESTIGATOR. Arabidopsis Microarray Database and Analysis Toolbox // Plant Physiol. 2004. V. 136. P. 2621-2632.

Costa M.M.R., Hilliou F., Duarte P., Pereira L.G., Almeida I., Leech M., Memelink J., Barcelo A.R., Sottomayor M. Molecular Cloning and Characterization of a Vacuolar Class III Peroxodase Involved in the Metabolism of Anticancer Alkaloid in Catharanthus roseus // Plant Physiol. 2008. V. 146. P. 403-417.

Van den Ende W., Valluru R. Sucrose, Sucrosyl Oligosaccharides, and Oxidative Stress: Scavenging and Salvaging? // J. Exp. Bot. 2009. V. 60. P. 9-18.

Chen S., Schopfer P. Hydroxyl-Radical Production in Physiological Reactions. A Novel Function of Peroxidase // Eur. J. Biochem. 1999. V. 269. P. 726-735.

Carter C., Songqin P., Zouhar J., Avila E.L., Girke T., Raikhel N.V. The Vegetative Vacuole Proteome of Arabidopsis thaliana Reveals Predicted and Unexpected Proteins // Plant Cell. 2004. V. 16. P. 3285-3303.

Romero-Puertas M.C., Rodrigues-Serrano M., Corpas F.J., Gomez M., Delrio L.A., Sandalio L.M. Cadmium-Induced Subcellular Accumulation of O2- and H2O2 in Pea Leaves // Plant Cell Environ. 2004. V. 27. P. 1122-1134.

Shi Q.H., Wang X.F., Wei M. Nitric Oxide Modulates the Metabolism of Plasma Membrane and Tonoplast in Cucumber Roots // Acta Horticult. 2007. V. 761. P. 275-282.

Whiteman S.A., Nuhse T.S., Ashford D.A., Sanders D., Maathuis F.J.M. A Proteomic and Phosphoproteomic Analysis of Oryza sativa Plasma Membrane and Vacuolar Membrane // Plant J. 2008. V. 56. P. 146-156.

Прадедова Е.В., Ишеева О.Д., Саляев Р.К. Ферменты антиоксидантной защиты вакуолей клеток корнеплодов столовой свеклы // Физиология растений. 2011. Т. 58. С. 40-48.

Chen C.S. Phorbol Ester Induces Elevated Oxidative Activity and Alkalization in a Subset of Lysosomes // BMC Cell Biol. 2002. V. 3. P. 21.

Behe P., Segal A.W. The Function of the NADPH Oxidase of Phagocytes, and Its Relationship to Other NOXs // Biochem. Soc. Trans. 2007. V. 35. P. 1100-1103.

Couee I., Sulmon C., Gouesbet G., Amrani A.E. Involvement of Soluble Sugars in Reactive Oxygen Species Balance and Response to Oxidative Stress in Plants // J. Exp. Bot. 2008. V. 57. P. 449-459.

Smirnoff N., Cumbes Q.J. Hydroxyl Radical Scavenging Activity of Compatible Solutes // Phytochemistry. 1989. V. 28. P. 1057-1060.

Nishizawa A., Yukinori Y., Shigeoka S. Galactinol and Raffinose as a Novel Function to Protect Plants from Oxidative Damage // Plant Physiol. 2008. V. 147. P. 1251-1263.

Klotke J., Kopka J., Gatzke N., Heyer A.G. Impact of Soluble Sugar Concentrations on the Acquisition of Freezing Tolerance in Accessions of Arabidopsis thaliana with Contrasting Cold Adaptation – Evidence for a Role of Raffinose in Cold Acclimation // Plant Cell Environ. 2004. V. 27. P. 1395-1404.

Van den Ende W., Yoshida M., Clerence S., Vergauwen R., Kawakami M. Cloning, Characterization and Functional Analysis of Novel 6-Kestose Exohydrolases (6-KEHs) from Wheat (Triticum aestivum L.) // New Phytol. 2005. V. 166. P. 917-932.

Kawakami A., Sato Y., Yoshida M. Genetic Engineering of Rice Capable of Synthesizing Fructans and Enhancing Chilling Tolerance // J. Exp. Bot. 2008. V. 59. P. 803-804.

Kardosova A., Ebringerova A., Alfoldi J., Nosalova G., Franova S., Hribalova V. A Biologically Active Fructan from the Roots of Arctium lappa L., var. herkules // Int. J. Biol. Macromol. 2003. V. 33. P. 135-140.

Govindarajian R., Sreevidya N., Vijaykumar M., Thakur M., Mehrota S., Pushpangadan P. In Vitro Antioxidant Activity of Ethanolic Extract of Chlorophytum borivillianum // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2005. V. 101. № 11. P. 165-169.

Vereyken I.J., van Kuik J.A., Evers T.H., Rijken P.J., de Kruijff B. Structural Requirements of the Fructan-Lipid Interaction // Biophys. J. 2003. V. 84. P. 3147-3154.

Frehner M., Keller F., Wiemken A. Localization of Fructan Metabolism in the Vacuoles Isolated from Protoplasts of Jerusalem Artichoke // Plant Physiol. 1984. V. 116. P. 197-208.

Kytridis V.P., Manetas Y. Mesophyll versus Epidermal Anthocyanins as Potential In Vivo Antioxidants: Evidence Linking the Putative Antioxidant Role to the Proximity of Oxy-Radical Source // J. Exp. Bot. 2006. V. 57. P. 2203-2210.

Pourcel L., Routaboul J.M., Cheynier V., Lepiniec L., Debeaujion I. Flavonoid Oxidation in Plants: From Biochemical Properties to Physiological Functions // Trends Plant Sci. 2007. V. 12. P. 29-36.

Agati G., Tattini M. Multiple Functional Roles of Flavonoids in Photoprotection // New Phytol. 2010. V. 186. P. 786-793.

Hayakawa K., Agarie S. Physiological Roles of Betacyanin in a Halophyte, Suaeda japonica Makino // Plant Prod. Sci. 2010. V. 13. P. 351-359.

Ishikawa T., Li Z.S., Lu Y.P., Rea P.A. The GS-X Pump in Plant, Yeast, and Animal Cells: Structure, Function, and Gene Expression // BioSci. Rep. 1997. V. 17. P. 189-207.

Collison E.J., Wheeeler G.L., Garrido E.O., Avery A.M., Avery S.V., Grant C.M. The Yeast Glutaredoxins Are Active as Glutathione Peroxidases // J. Biol. Chem. 2002. V. 277. P. 16 712-16 717.

Lazard M., Ha-Duong N.-T., Mounie S., Perrin R., Plateau P., Blanquet S. Selenodiglutathione Uptake by the Saccharomyces cerevisiae Vacuolar ATP-Binding Cassette Transporter Ycf1p // FEBS J. 2011. doi 10.1111/j.1742-4658.2011.08318.x

Tommasini R., Martinoia E., Grill E., Dietz K.-J., Amrhein N. Transport of Oxidized Glutathione into Barley Vacuoles: Evidence for the Involvement of the Glutathione-S-Conjugate ATPase // Z. Naturforsch. 1993. V. 48c. P. 867-871.

Zechman B., Liou L.-C., Koffler B.E., Horvat L., Tomasic A., Fulgosi H., Zhang Z. Subcellular Distribution of Glutathione and Its Dynamic Changes under Oxidative Stress in the Yeast Saccharomyces cerevisiae // FEMS Yeast Res. 2011. V. 11. P. 631-642. 

Queval G., Jaillard D., Zechmann B., Noctor G. Increased Intracellular H2O2 Availability Preferentially Drives Glutathione Accumulation in Vacuoles and Chloroplasts // Plant Cell Environ. 2011. V. 34. P. 21-32.

Conte S.S., Walker E.L. Transporters Contributing to Iron Trafficking in Plants // Mol. Plant. 2011. V. 4. P. 464-476.

Wubbolts R., Fernandez-Borja M., Oomen L., Verwoerd D., Jansen H., Calafat J., Tulp A., Dusseljee S., Neefjes J. Direct Vesicular Transport of MHC Class II Molecules from Lysosomal Structures to the Cell Surface // J. Cell Biol. 1996. V. 135. P. 611-622.

Подписи к рисункам

 

Рис. 1. Схема, иллюстрирующая общую стратегию антиоксидантного действия вакуоли 

в растительной клетке. 

1 – детоксикация АФК в вакуоле; 2 – лизис или деградация в вакуоли биополимеров (X) или целых органелл (O), поврежденных в цитозоле под действием АФК и перенесенных далее внутрь этой органеллы; 3 – перенос вакуолярных антиоксидантов в апопласт путем экзоцитоза; Т – тонопласт; ПМ – плазматическая мембрана (плазмалемма). 

 

Рис. 2. Схема действия в вакуоли растительных клеток редокс-активных ферментов, а также сахаров, представленных фруктанами, где последние действуют в кооперации с пероксидазами.

Т – тонопласт; ПО – пероксидаза класса III; НАДФ×Н-О – НАДФ×Н-оксидаза; СОД - супероксиддисмутаза; ФР – фруктаны. Функционирование в вакуоли НАДФ×Н-оксидазы и супероксиддисмутазы только предполагается, и вопрос о справедливости этой гипотезы остается пока открытым.