LIPIDEK FUNKCIONÁLIS ÉS SZERKEZETI SZEREPE A FOTOSZINTETIKUS MEMBRÁNOKBAN

A fotoszintetikus membránok lipidösszetételének jelentős szerepe van a fotoszintetikus folyamatokban résztvevő komplexek felépítésében és a környezeti stresszhatásokkal szembeni ellenállásban. Csoportunk különféle fiziológiás, biofizikai és molekuláris biológiai technikákkal vizsgálja a foszfatidilglicerin szerepét a fotoszintetikus komplexek kialakításában, valamint a lipid-fehérje, lipid-karotenoid és karotenoid-fehérje kölcsönhatások szerepét a stresszfolyamatokban.

A foszfatidilglicerin szerepe a fotoszintetikus elektrontranszport folyamatokban

A fotoszintetikus membránok lipidjei főként gliko-glicerolipidek, közöttük egyetlen foszfolipid található: a foszfatidilglicerin (FG). Az FG nélkülözhetetlen lipid az oxigéntermelő fotoszintetikus folyamatokat végző cianobaktériumok és növények számára. Röntgenkrisztallográfiás vizsgálatok FG molekulák jelenlétét mutatták ki a PSI és PSII complexek reakciócentrumaiban.

Csoportunkban létrehoztunk különféle FG-hiányos cianobaktérium törzseket. Ezek a mutánsok nem képesek FG szintézisére, és csak a tápoldathoz hozzáadott FG jelenlétében képesek életben maradni. A mutánsok FG jelenlétében ugyanolyan mértékben osztódtak, mint a vad típusú sejtek, ugyanakkor az FG megvonása után a sejtek szaporodása jelentős mértékben lelassult. Az FG ismételt hozzáadasa azonban képes volt helyreállítani a sejtek osztódását (1. ábra).

Rövidtávú FG éheztetés alig befolyásolta a PSI aktivitását, ugyanakkor a PSII aktivitása jelentősen lecsökkent. Az FG hiánya befolyásolta a PSII-ben az elsődleges és a másodlagos kinon közötti elektrontranszport-folyamatot, megakadályozta a CP43 fehérje alegységnek a PSII reakciócentrumhoz történő kapcsolódását, valamint a működőképes PSII dimerek kialakulását. Hosszútávú FG éheztetés hatására a PSI monomerek mennyisége nőtt a trimerek lecsökkenésével párhuzamosan (2. ábra), és a PSI aktivitása csökkent.

Az FG molekulák tehát fontos szerepet játszanak a sejtosztódásban, és nélkülözhetetlenek a fotoszintetikus reakciócentrumok szerkezetének kialakításához, valamint működésükhöz.

FG szintézisére képtelen cianobaktérium törzsben tanulmányoztuk az FG molekulák átépítését a folyamatban résztvevő enzimek megváltoztatása nélkül. Megfigyeltük a sejtekhez adott mesterséges FG molekulák átalakulását a működéshez szükséges természetes FG molekula fajtákká. Vizsgálataink bizonyították az FG molekulák átépítését az általunk vizsgált fotoszintetikus baktériumban.

A karotinoidok nélkülözhetetlenek a fotoszintetikus folyamatok működéséhez

Az FG megvonása a sejtek fényérzékenységéhez vezetett; a pigmentek fokozatosan leépültek és végül a sejtek meghaltak. Mindezt okozhatja a klorofill molekulák triplett állapotának kialakulása, mely reaktiv oxigénszármazékok kialakulásához vezet, amelyek végül a fotoszintetkus pigmentek lebomlását okozzák. Kimutattuk, hogy FG-hiányos Synechocystis PCC6803 cianobaktérium sejtekben FG-megvonás hatására mixoxantofil és echinenon halmozódik fel a tilakoidban és a citoplazma membránban. Ez arra utal, hogy az FG megvonása befolyásolja egyes karotinoidok bioszintézisét.

Annak érdekében, hogy minél jobban megérthessük a karotinoidok szerepét a fotoszintetikus folyamatokban, létrehoztuk az első karotinoidhiányos oxigéntermelő fotoszintetikus prokarióta mutánst (3. ábra).

A karotinoidok hiánya nem befolyásolta a PSI és citokróm b₆f complexek szerkezetének kialakítását. A karotinoidhiányos Synechocytis PCC6803 sejtek nem termeltek oxigént és fényérzékennyé vátltak. Karotinoidok hiányában nem alakultak ki működőképes PSII reakciócentrumok. A karotinoidok hiánya nem befolyásolta jelentősen a vizsgált fotoszintetikus reakciócentrum-fehérjék génjeinek transzkripcióját, ugyanakkor a PSII felépítésében résztvevő fehérjék transzlációja jelentős mértékben lecsökkent.

A karotinoidok tehát fontos elemei a fotoszintetikus rendszernek és alapvető szerepük van a klorofill molekulák fotooxidációval szembeni védelmében, valamint szükségesek a PSII alegységeinek szintéziséhez és szerkezetének kialakításához.

Membránlipidek szerepe a búza alacsony hőmérsékleti stresszel szembeni védelmében

A membránok szerkezetének és összetételének vátozásai kulcsszerepet játszanak az élő szervezetek környezeti hatásokhoz történő alkamazkodásában. Az alacsony hőmérséklet az egyik legjelentősebb környezeti stressz, amelyhez a növényeknek alkalmazkodniuk kell. A növények szezonális és földrajzi elterjedése nagyban függ hidegérzékenységüktől.

Az emberiség által legnagyobb mennyiségben termesztett élelmiszernövények egyike a búza. A legnagyobb termést hozó őszi búza megfelelő fagytűrése elengedhetetlen a biztonságos termeléshez a mérsékeltövi országokban. A növényekben a fagykárosodás elsődleges célpontjai a sejtmembránok, elsősorban a plazmamembrán. Ezen kiemelkedő szerepe miatt a plazmamembrán lipidösszetételének részletes tanulmányozása segíthet jobban megértenünk, hogy a membránban képződő szignálmolekulák és az ott lejátszódó szerkezeti változások hogyan segítik elő a növények alkalmazkodását az alacsony hőmérséklethez.

Vizsgálataink célja különböző mértékben fagytűrő búzafajták és speciális, szubsztitúciós és rekombináns búza vonalak részletes lipidanalízise. Célunk a lipidanyagcserében szerepet játszó gének azonosítása és jellemzése. Az azonosított gének a későbbiek során lehetővé tehetik a fagyállóság növelését a molekuláris genetika eszköztárának alkalmazásával.