Όλα τα ζωντανά κύτταρα ανταποκρίνονται στην αυξημένη θερμοκρασία και σε ορισμένους άλλους στρεσογόνους παράγοντες συνθέτοντας ένα συγκεκριμένο σύνολο πρωτεϊνών που ονομάζονται πρωτεΐνες θερμικού σοκ (HSPs). Τα HSP περιλαμβάνουν πρωτεΐνες που συντίθενται από τα κύτταρα ως απόκριση σε θερμικό σοκ, όταν η έκφραση της κύριας δεξαμενής πρωτεϊνών που εμπλέκονται στον φυσιολογικό μεταβολισμό καταστέλλεται. Η οικογένεια των 70 kDa HSPs (HSP-70 των ευκαρυωτών και DnaK των προκαρυωτικών) περιλαμβάνει πρωτεΐνες θερμικού σοκ, οι οποίες παίζουν σημαντικό ρόλο τόσο στη διασφάλιση της επιβίωσης των κυττάρων υπό συνθήκες στρες όσο και στον φυσιολογικό μεταβολισμό. Το επίπεδο ομολογίας μεταξύ προκαρυωτικών και ευκαρυωτικών πρωτεϊνών υπερβαίνει το 50% με πλήρη ταυτότητα μεμονωμένων περιοχών. Οι HSP 70 kDa είναι μία από τις πιο διατηρημένες ομάδες πρωτεϊνών στη φύση (Lindquist Craig, 1988; Yura et al., 1993), το οποίο πιθανώς οφείλεται στις λειτουργίες συνοδού που εκτελούν αυτά τα HSP στα κύτταρα
Η επαγωγή γονιδίων πρωτεΐνης θερμικού σοκ (HSP) σε ευκαρυώτες συμβαίνει υπό την επίδραση του παράγοντα θερμικού σοκ HSF. Σε κύτταρα χωρίς πίεση, ο HSF υπάρχει τόσο στο κυτταρόπλασμα όσο και στον πυρήνα ως μονομερής μορφή συνδεδεμένη με το Hsp70 και δεν έχει δραστηριότητα δέσμευσης DNA. Σε απόκριση σε θερμικό σοκ ή άλλο στρες, το Hsp70 αποσπάται από το HSF και αρχίζει να διπλώνει τις μετουσιωμένες πρωτεΐνες. Το HSF συναρμολογείται σε τριμερή, αναπτύσσει δραστηριότητα δέσμευσης DNA, συσσωρεύεται στον πυρήνα και συνδέεται με τον προαγωγέα. Σε αυτή την περίπτωση, η μεταγραφή των συνοδών στο κύτταρο αυξάνεται πολλές φορές. Αφού περάσει το στρες, το απελευθερωμένο Hsp70 επανέρχεται στο HSF, το οποίο χάνει τη δεσμευτική του δράση στο DNA και όλα επιστρέφουν στο φυσιολογικό [Morimoto ea 1993] εμφανίζονται στην επιφάνεια των αρθρικών κυττάρων κατά τη διάρκεια βακτηριακών λοιμώξεων.
Οι περισσότερες από αυτές τις πρωτεΐνες θερμικού σοκ παράγονται επίσης ως απόκριση σε άλλα επιβλαβή ερεθίσματα. Ίσως βοηθούν το κύτταρο να επιβιώσει από στρεσογόνες καταστάσεις. Υπάρχουν τρεις κύριες οικογένειες πρωτεϊνών θερμικού σοκ: mol. βάρους 25, 70 και 90 kDa (hsp25, hsp70 και hsp90. Σε φυσιολογικά κύτταρα, βρέθηκαν πολλές πολύ παρόμοιες πρωτεΐνες από κάθε οικογένεια. Οι πρωτεΐνες θερμικού σοκ βοηθούν στη διάλυση και την αναδίπλωση μετουσιωμένων ή λανθασμένα διπλωμένων πρωτεϊνών. Έχουν επίσης άλλες λειτουργίες.
Οι πρωτεΐνες της οικογένειας hsp70 είναι οι καλύτερα μελετημένες. Αυτές οι πρωτεΐνες συνδέονται με κάποιες άλλες πρωτεΐνες, καθώς και με μη φυσιολογικά πρωτεϊνικά σύμπλοκα και συσσωματώματα, από τα οποία στη συνέχεια απελευθερώνονται με την προσκόλληση του ATP. Βοηθούν στη διάλυση και την αναδίπλωση συσσωματωμένων ή κακώς διπλωμένων πρωτεϊνών μέσω πολλαπλών κύκλων προσθήκης και υδρόλυσης ATP. Οι μη φυσιολογικές πρωτεΐνες υπάρχουν σε οποιοδήποτε κύτταρο, αλλά υπό ορισμένες επιρροές, όπως το θερμικό σοκ, ο αριθμός τους στο κύτταρο αυξάνεται απότομα, και κατά συνέπεια υπάρχει ανάγκη για μεγάλο αριθμό πρωτεϊνών θερμικού σοκ. Εξασφαλίζεται με την ενεργοποίηση της μεταγραφής ορισμένων γονιδίων θερμικού σοκ.
Οι πρωτεΐνες θερμικού σοκ (Hsp - πρωτεΐνες θερμικού σοκ), που σχηματίζουν ένα σύμπλεγμα με την αναπτυσσόμενη πολυπεπτιδική αλυσίδα, εμποδίζουν τη μη ειδική συσσώρευση και αποικοδόμησή τους υπό τη δράση των ενδοκυτταρικών πρωτεϊνασών, προάγοντας τη σωστή αναδίπλωση τους, η οποία συμβαίνει με τη συμμετοχή άλλων συνοδών. Το Hsp70 συμμετέχει στην εξαρτώμενη από το ΑΤΡ ξεδίπλωμα πολυπεπτιδικών αλυσίδων, καθιστώντας τις μη πολικές περιοχές των πολυπεπτιδικών αλυσίδων προσβάσιμες στη δράση των πρωτεολυτικών ενζύμων.
δείτε επίσης ΠΑΡΑΓΟΝΤΕΣ ΜΕΤΑΓΡΑΦΗΣ: ΤΑΞΗ: TF 3.4 Παράγοντες θερμικού σοκ - http://humbio.ru/humbio/transcription/0002df25.htm
Ο Alexander Sapozhnikov δεν συμφωνεί με αυτή τη θεωρητική αιτιολόγηση του μηχανισμού δράσης του φαρμάκου. Σύμφωνα με τον ίδιο, το HSP70 μπορεί να λειτουργεί με διαφορετικό τρόπο, ο οποίος μένει να μελετηθεί, αλλά το γεγονός παραμένει ότι σε κυτταροκαλλιέργειες και σε έναν αριθμό όγκων σε δύο σειρές αρουραίων στους οποίους εμβολιάστηκαν «ανθρώπινα» καρκινικά κύτταρα, η πρωτεΐνη δείχνει στην πραγματικότητα δραστηριότητα.
Σύμφωνα με τους συγγραφείς της εργασίας, η θερμοκρασία στην οποία λειτουργούν με το HSP70 σε κυτταροκαλλιέργειες είναι 43°C και είναι πολύ υψηλή για τους ζωντανούς οργανισμούς, ωστόσο, φαίνεται να εμπλέκονται και άλλοι μηχανισμοί, οι οποίοι πρέπει επίσης να γίνουν κατανοητοί. Αυτό ισχύει και για τη δράση της εξωγενούς μη κυτταρικής πρωτεΐνης θερμικού σοκ μέσα στο σώμα. «Καθένας από εμάς έχει αρκετά υψηλά επίπεδα HSP70 στην κυκλοφορία του αίματος - έως και 900 νανογραμμάρια ανά χιλιοστόλιτρο. Το κάναμε ένεση στο ζώο και προσπαθήσαμε να δούμε τι συνέβη στη συνέχεια με την πρωτεΐνη. Μέσα σε 40 λεπτά είδαμε ίχνη HSP70 στο αίμα και στη συνέχεια εξαφανίστηκε. Υπάρχει η άποψη ότι η πρωτεΐνη διασπάται, αλλά δεν το πιστεύουμε».
Εντυπωσιακά αποτελέσματα εν αναμονή επαλήθευσης
Η Irina Guzhova μίλησε επίσης για περαιτέρω δοκιμή του φαρμάκου: «Δοκιμάσαμε αυτόν τον μηχανισμό στο μελάνωμα ποντικού Β16, το οποίο αναπτύσσεται υποδορίως, και το χρησιμοποιήσαμε με τη μορφή τζελ που εφαρμόζεται στην επιφάνεια του δέρματος. Το αποτέλεσμα ήταν εντυπωσιακό: το ποσοστό επιβίωσης των ποντικών ήταν πολύ υψηλότερο από αυτό της ομάδας ελέγχου, η οποία υποβλήθηκε σε θεραπεία με τζελ χωρίς τη δραστική ουσία ή δεν υποβλήθηκε καθόλου σε θεραπεία. Η διαφορά ήταν περίπου δέκα μέρες. Για τα ποντίκια και αυτόν τον τύπο όγκου, αυτή είναι μια πολύ καλή καθυστέρηση. Παρόμοια αποτελέσματα παρουσιάστηκαν στο γλοιώμα C6 αρουραίου (πρόκειται για όγκο που αναπτύσσεται απευθείας στον εγκέφαλο).
Τα ζώα που υποβλήθηκαν σε θεραπεία με μία μόνο ένεση στον εγκέφαλο έλαβαν επιπλέον δέκα ημέρες ζωής, ενώ στα ζώα που έλαβαν την πρωτεΐνη συνεχώς για τρεις ημέρες μέσω αντλίας, αυτή η διάρκεια παρατάθηκε κατά δέκα επιπλέον ημέρες καθώς ο όγκος μεγάλωνε πιο αργά. Δείξαμε ότι εάν εξαντλήσετε τον πληθυσμό των Τ κυττάρων από ένα ποντίκι που είχε όγκο και αφαιρέσετε τα ήδη «μαθημένα» κύτταρα ΝΚ ή τα θετικά CD8 λεμφοκύτταρα, δεν θα αναγνωρίσουν επίσης τον όγκο. Μπορούμε να συμπεράνουμε ότι η κύρια λειτουργία του HSP70 σε αυτή τη διαδικασία είναι η ενεργοποίηση ειδικής ανοσίας».
Αυτά τα δεδομένα ώθησαν τους επιστήμονες να πραγματοποιήσουν μια περιορισμένη μελέτη στην κλινική Polenov (Ερευνητικό Ινστιτούτο Νευροχειρουργικής στην Αγία Πετρούπολη). «Αυτή τη στιγμή, η ομάδα μας περιλάμβανε τον νευροχειρουργό Maxim Shevtsov, ο οποίος, ταυτόχρονα με τις μεταπτυχιακές σπουδές του Boris Alexandrovich (Μαργκούλης, - σημείωση ιστοσελίδας)ολοκλήρωσε την παραμονή του σε αυτό το ερευνητικό ίδρυμα. Έπεισε τον προϊστάμενό του, τον καθηγητή Khachaturian, να δοκιμάσει αυτό το φάρμακο. Σύμφωνα με την τότε νομοθεσία, αρκούσε η απόφαση του επιστημονικού συμβουλίου και η ενημερωμένη συγκατάθεση των ασθενών και μας διατέθηκαν 25 ασθενείς. Όλοι είχαν διαφορετικούς όγκους στον εγκέφαλο και όλοι έλαβαν ό,τι δικαιούνταν από την ασφάλιση, αλλά συν, μετά τη χειρουργική αφαίρεση του όγκου, η Maxim έκανε ένεση ενός διαλύματος HSP70 στο χειρουργικό κρεβάτι.
Το πρόβλημα είναι ότι οι όγκοι του εγκεφάλου είναι δύσκολο να αφαιρεθούν πλήρως. Πάντα απομένουν μικρά κομμάτια που είναι επικίνδυνο να αφαιρεθούν, γιατί μαζί με αυτά μπορεί να αφαιρεθεί και η προσωπικότητα και αυτά τα κομμάτια προκαλούν υποτροπές. Αλλά τα αποτελέσματα αποδείχθηκαν απολύτως εκπληκτικά: μετά την επέμβαση, ο αριθμός των ειδικών ανοσοκυττάρων στους ασθενείς αυξήθηκε, ο αριθμός των προ-όγκων («μετάβαση στην πλευρά του όγκου») Τ-λεμφοκυττάρων μειώθηκε και η ποσότητα της ιντερλευκίνης 10 (ένα μόριο πληροφοριών του ανοσοποιητικού συστήματος) μειώθηκε.
Η μελέτη ήταν μόνο πιλοτική, όχι τυχαιοποιημένη, δεν υπήρχε ομάδα ελέγχου και διεξήχθη το 2011. Την ίδια χρονιά, ψηφίστηκε νόμος που απαγόρευε τέτοιου είδους τεστ και έπρεπε να σταματήσουν αμέσως μόλις ξεκίνησαν. Μας έμειναν 12 χειρουργημένοι ασθενείς. Όποιος είναι εξοικειωμένος με το κλινικό μέρος της έρευνας έχει μια ιδέα για το πόσο δύσκολο είναι να παρακολουθεί κανείς τη μοίρα των ασθενών μετά την αποχώρηση του καθενός από την κλινική. Ως εκ τούτου, γνωρίζουμε μόνο οκτώ που παρέμειναν σε επαφή, και όλοι τους είναι ακόμα ζωντανοί. Στις αρχές του φθινοπώρου του περασμένου έτους, ήταν αρκετά υγιείς και όσοι συνέχισαν να σπουδάζουν πήγαν σχολείο το φθινόπωρο, αν και η μέση πρόγνωση για το προσδόκιμο ζωής με ανιχνευμένο γλοίωμα είναι 14 μήνες».
Τώρα, σύμφωνα με τους ομιλητές, οι προκλινικές δοκιμές πλησιάζουν στο τέλος τους και το φάρμακο απαιτεί δοκιμές πολλαπλών σταδίων σε ασθενείς, οι οποίες θα διαρκέσουν αρκετά χρόνια (γι' αυτό το άρθρο της Izvestia περιλάμβανε ένα τόσο απίστευτα σύντομο χρονικό διάστημα πριν το φάρμακο εισέλθει στο αγορά - 3-4 χρόνια).
Ο Alexander Sapozhnikov τόνισε επίσης τη σημασία των κλινικών δοκιμών: «Ένας όγκος που εμβολιάζεται σε ποντίκια και ένας ανθρώπινος όγκος είναι ο ουρανός και η γη. Το φάρμακο μπορεί να λειτουργεί σε αυτόν τον όγκο, αλλά να είναι αναποτελεσματικό είτε σε έναν φυσιολογικό όγκο ποντικού είτε σε έναν άνθρωπο. Καθησυχάστε τους συναδέλφους σας, δεν υπάρχει θεραπεία για όλες τις ασθένειες ταυτόχρονα».
Οι ίδιοι οι ερευνητές το πιστεύουν. «Σε αυτά τα στάδια, όλα λειτουργούν (και πολύ καλά), αλλά, φυσικά, δεν είναι αυτό το φάρμακο που ανατρέφει τον Λάζαρο», λέει η Irina Guzhova, «ωστόσο, είναι αρκετά αποτελεσματικό και αξίζει να υποβληθεί σε κλινικές δοκιμές. Και ελπίζουμε ότι αυτό θα συμβεί».
Απλά χώρο
Ο αναγνώστης μπορεί να έχει μια εύλογη ερώτηση: από πού προήλθε ο χώρος; Η Irina Guzhova εξηγεί: «Το γεγονός είναι ότι οι δοκιμές πραγματοποιήθηκαν με βάση το Ινστιτούτο Υψηλής Καθαρής Προετοιμασίας, του οποίου οι υπάλληλοι έχουν καλή εμπειρία στην καταχώρηση διπλωμάτων ευρεσιτεχνίας και τη συγγραφή εγγράφων, οπότε τους δώσαμε αυτό το θέμα. Ταυτόχρονα, άρχισαν να παράγουν αυτή την πρωτεΐνη και κάναμε πειράματα σε ζώα. Αλλά στην πορεία, ένας εκπρόσωπος της Roscosmos τους πλησίασε και τους ρώτησε αν είχαμε κάποιο είδος μη κρυσταλλωμένης πρωτεΐνης που θα μπορούσε να κρυσταλλωθεί στο διάστημα, σε τροχιά. Και τους δόθηκε HSP70, προσπάθησαν να αναπτύξουν κρυστάλλους σε τροχιά, αλλά τίποτα δεν λειτούργησε».
Το πρόβλημα αποδείχθηκε ότι ήταν στη δομή της πρωτεΐνης. Ένα πολύ κινητό μέρος στη δομή της πρωτεΐνης παρενέβη στην κρυστάλλωση, έτσι άρχισαν να προσπαθούν να την κρυσταλλώσουν σε κομμάτια, να δέσουν το κινούμενο μέρος με ένα ειδικό μόριο ώστε να το «κρατήσει». Ακόμα προσπαθούν. «Εδώ προέκυψε αυτή η ιστορία για τα κύτταρα που αναπτύσσονται στο διάστημα και θεραπεύουν όλους από τον καρκίνο», σχολιάζει η Irina Guzhova.
Είπε επίσης ότι για δοκιμή στο διάστημα και σε ποντίκια, η πρωτεΐνη υποβλήθηκε σε πολύ υψηλό βαθμό καθαρισμού - περίπου 99%. Όσον αφορά τις αμφιβολίες ότι δεν είναι ο συνοδός που ενεργοποιεί το ανοσοποιητικό σύστημα, αλλά ο λιποπολυσακχαρίτης (LPS) - ένα συστατικό του κυτταρικού τοιχώματος των βακτηρίων στο οποίο παράγεται αυτή η πρωτεΐνη - μια τέτοια πιθανότητα είναι μικρή. Αν και το LPS «κολλάει» στο HSP πολύ έντονα, και είναι αρκετά δύσκολο να καθαριστεί η πρωτεΐνη από τις πιο μικρές ακαθαρσίες της. Οι επιστήμονες δημιούργησαν πρόσθετους ελέγχους για να δείξουν ότι δεν είναι αυτός, αλλά ο συνοδός, που είναι η αιτία της επίδρασης του φαρμάκου. Για παράδειγμα, το φάρμακο μπορεί να βράσει, το οποίο δεν επηρεάζει το LPS, αλλά καταστρέφει τη δομή της πρωτεΐνης. Τότε οι ιδιότητές του στο HSP χάνονται και το φάρμακο σταματά να λειτουργεί, κάτι που δεν θα συνέβαινε αν ήταν κυρίως βακτηριακό LPS που δρούσε σε αυτό.
Επιπλέον, οι ερευνητές συνέκριναν την επίδραση της εισαγωγής συστατικών βακτηριακού κυτταρικού τοιχώματος με την επίδραση του HSP70 και αυτές οι συγκρίσεις ευνόησαν σαφώς το τελευταίο.
«Δεν είπαμε τίποτα ανόητο. Και τι; “Μηδέν συναισθήματα!”
Η Irina αναφέρει ότι οι επιστήμονες δεν έχουν ακόμη ανακαλύψει ανεπιθύμητες ενέργειες κατά τη διάρκεια των δοκιμών, αλλά μπορεί να καθυστερήσουν. «Πιστεύω ότι μια ερευνήτρια πρέπει πρώτα απ' όλα να δοκιμάσει τα πάντα μόνος της και ολοκλήρωσα δύο μαθήματα συνοδευτικής θεραπείας. Δεν υπήρχαν παρενέργειες, αντιθέτως, φαινόταν ότι οι μικρές πληγές εξαφανίζονταν και τα φτερά μου μεγάλωναν πίσω από την πλάτη μου.
«Από την άλλη πλευρά, ό,τι υπήρχε στα μέσα ενημέρωσης ήταν πραγματική ντροπή», σημειώνει ο ερευνητής. - Αλλά, όπως λένε, δεν θα υπήρχε ευτυχία, αλλά η ατυχία θα βοηθούσε: το Ινστιτούτο Υψηλής Καθαρής Προετοιμασίας δέχεται ήδη κλήσεις με προσφορές για βοήθεια σε κλινικές δοκιμές. Μιλούσαμε σε συνέδρια και σε διάφορα πιο σεμνά μέσα, μιλώντας για το ίδιο πράγμα, αλλά ελέγχοντας τα λόγια μας και δεν λέγαμε τίποτα ανόητο. Και τι; - Μηδενικά συναισθήματα! Και τότε αυτού του είδους τα κατακάθια έλαμψαν στις οθόνες, και παρακαλώ! Μια τόσο ενδιαφέρουσα κοινωνία, μια τόσο ενδιαφέρουσα χώρα».
Ωστόσο, σύμφωνα με πηγές στο site, ο Simbirtsev αναγκάστηκε να δώσει τη συνέντευξη που ξεκίνησε τα πάντα. προσφέρθηκε να δώσει συνέντευξη για να τονώσει το ενδιαφέρον για τα προβλήματα του Ινστιτούτου και να προσελκύσει πρόσθετη χρηματοδότηση για κλινικές δοκιμές. Επιπλέον, κυκλοφορούν φήμες για ενδεχόμενη απώλεια νομικού προσώπου από το ινστιτούτο λόγω συγχωνεύσεων επιστημονικών οργανισμών σε όλη τη χώρα. Προφανώς, ο επιστήμονας δεν ήταν έτοιμος να πει στην εφημερίδα αναλυτικά και λαϊκά τι συνέβαινε. «Αυτή τη φορά, όλα όσα θα μπορούσαν να έχουν παρεξηγηθεί παρεξηγήθηκαν», σημειώνει η πηγή.
Ως αποτέλεσμα, η κατάσταση μοιάζει όλο και περισσότερο με γνωστό μύθο, όταν η Roscosmos και οι κυβερνητικές υπηρεσίες που διανέμουν επιχορηγήσεις ορμούν στα σύννεφα, περιμένοντας άμεσα αποτελέσματα από τη θεμελιώδη επιστήμη, ο καρκίνος πάει προς τα πίσω, οι δημοσιογράφοι χύνουν δομημένο νερό. Και η ρωσική επιστήμη βρίσκεται για άλλη μια φορά σε μια αξιοζήλευτη θέση, αναγκασμένη να δικαιολογήσει τον εαυτό της για εγκλήματα που δεν διέπραξε.
07 Ιουνίου 2010Πώς μοιάζει ένα μοριακό θερμόμετρο; Αυτή η ερώτηση είναι πολύ πιο περίπλοκη από ό,τι φαίνεται με την πρώτη ματιά. Προφανώς, το «θερμόμετρο» που χρησιμοποιείται από το κύτταρο, το οποίο παίζει έναν από τους πιο σημαντικούς ρόλους στη διατήρηση της σταθερότητας του κυτταρικού πρωτεώματος, είναι ένα σύστημα μεταγραφικών παραγόντων και εξειδικευμένων πρωτεϊνών - συνοδών, περιλαμβανομένων. πρωτεΐνες θερμικού σοκ, οι οποίες ανταποκρίνονται όχι μόνο στην αυξημένη θερμοκρασία (αυτή είναι μόνο η πρώτη από τις ανακαλυφθείσες λειτουργίες αυτής της κατηγορίας πρωτεϊνών), αλλά και σε άλλες φυσιολογικές επιδράσεις που βλάπτουν το κύτταρο.
Οι Chaperones είναι μια κατηγορία πρωτεϊνών των οποίων η κύρια λειτουργία είναι η αποκατάσταση της σωστής τριτοταγούς δομής των κατεστραμμένων πρωτεϊνών, καθώς και ο σχηματισμός και η διάσπαση συμπλεγμάτων πρωτεϊνών.
Το σύστημα συνοδών ανταποκρίνεται στη βλάβη που συμβαίνει κατά τη διάρκεια της ζωής του κυττάρου και διασφαλίζει τη σωστή διέλευση της αναδίπλωσης - την αναδίπλωση των αλυσίδων αμινοξέων που βγαίνουν από τη ριβοσωμική «γραμμή συναρμολόγησης» σε τρισδιάστατες δομές. Παρά την προφανή σημασία αυτού του συστήματος, για πολύ καιρό κανείς από τους ειδικούς που το μελετούσαν δεν φανταζόταν καν ότι αυτό το μοριακό θερμόμετρο είναι επίσης ένα είδος «πηγής νεότητας» του κυττάρου και η μελέτη του παρέχει την ευκαιρία να εξετάσουμε μια σειρά από ασθένειες από μια νέα, προηγουμένως άγνωστη πλευρά.
Οι πρωτεΐνες, οι οποίες είναι το κύριο προϊόν της λειτουργίας του γονιδιώματος, όχι μόνο σχηματίζουν τη δομή, αλλά εξασφαλίζουν και τη λειτουργία όλων των κυττάρων, ιστών και οργάνων. Δεν υπάρχουν διαταραχές στη σύνθεση των αλληλουχιών αμινοξέων. Ο σχηματισμός, η συναρμολόγηση και η μεταφορά πρωτεϊνικών μορίων, καθώς και η απομάκρυνση των κατεστραμμένων πρωτεϊνών, είναι μια κρίσιμη πτυχή για τη διατήρηση της υγείας τόσο των μεμονωμένων κυττάρων όσο και ολόκληρου του σώματος. Οι πρωτεΐνες είναι επίσης το απαραίτητο υλικό για το σχηματισμό και την αποτελεσματική λειτουργία «μοριακών μηχανών» που παρέχουν διαδικασίες βιοσύνθεσης, μια διαδικασία κρίσιμη για τη διασφάλιση της μακροζωίας του σώματος. Πολλά προβλήματα προκαλούνται από διαταραχές στη θεμελιώδη διαδικασία της αναδίπλωσης των πρωτεϊνών. Οι διαταραχές στη λειτουργία του "OTK", που αντιπροσωπεύονται από πρωτεΐνες θερμικού σοκ και συνοδούς, οδηγούν στην εμφάνιση και συσσώρευση σφαλμάτων. Αυτά τα σφάλματα διαταράσσουν τη λειτουργία των μοριακών μηχανισμών, γεγονός που μπορεί να οδηγήσει στην ανάπτυξη διαφόρων ασθενειών. Η εμφάνιση τέτοιων σφαλμάτων στους νευρώνες είναι γεμάτη με πραγματικά τρομερές συνέπειες, που εκδηλώνονται με την ανάπτυξη νευροεκφυλιστικών ασθενειών όπως η σκλήρυνση κατά πλάκας, καθώς και οι ασθένειες Huntington, Parkinson και Alzheimer.
Ανακαλύφθηκε το 1962 από τον Ferruccio Ritossa, η απόκριση θερμικού σοκ περιγράφεται ως μια αλλαγή που προκαλείται από τη θερμοκρασία στην οργάνωση των σφιχτά συσκευασμένων χρωμοσωμάτων στα κύτταρα των σιελογόνων αδένων των μυγών Drosophila, που οδηγεί στο σχηματισμό των λεγόμενων «διογκωμάτων». Τέτοιες διογκώσεις, που μοιάζουν με βαμβακερές μπάλες στο μικροσκόπιο, τοποθετημένες ανάμεσα σε σφιχτά συσκευασμένα τμήματα χρωμοσωμάτων, εμφανίζονται επίσης όταν εκτίθενται σε άλατα δινιτροφαινόλης, αιθανόλης και σαλικυλικού οξέος.
Αποδείχθηκε ότι οι χρωμοσωμικές διογκώσεις είναι νέες μεταγραφικές περιοχές που ξεκινούν τη σύνθεση νέων αγγελιαφόρων RNA μέσα σε λίγα λεπτά από την εμφάνισή τους. Τα πρωτεϊνικά προϊόντα αυτής της διαδικασίας είναι πλέον ευρέως γνωστά ως πρωτεΐνες θερμικού σοκ, τα καλύτερα μελετημένα από τα οποία είναι τα Hsp90 και Hsp70. Οι πρωτεΐνες αυτής της οικογένειας ρυθμίζουν την αναδίπλωση των αλυσίδων αμινοξέων και αποτρέπουν την εμφάνιση εσφαλμένα σχηματισμένων πρωτεϊνικών μορίων στα κύτταρα όλων των ζωντανών οργανισμών.
Στα τέλη της δεκαετίας του 1970 και στις αρχές της δεκαετίας του 1980, χρησιμοποιώντας μια πρωτότυπη τεχνική κυτταρικής βιοχημείας για να αυξήσουν τον αριθμό των αγγελιαφόρων RNA που κωδικοποιούν τις αλληλουχίες των αντίστοιχων πρωτεϊνών, οι επιστήμονες μπόρεσαν να κλωνοποιήσουν τα πρώτα γονίδια θερμικού σοκ της μύγας των φρούτων. Εκείνη την εποχή, οι ειδικοί ήταν της άποψης ότι η αντίδραση θερμικού σοκ ήταν χαρακτηριστικό αποκλειστικά του οργανισμού Drosophila. Σε αυτό το στάδιο, ο Richard Morimoto έκανε την πρώτη του συμβολή στη μελέτη των πρωτεϊνών θερμικού σοκ. Συνέλεξε μια εκτεταμένη συλλογή DNA από πολυκύτταρους οργανισμούς και, χρησιμοποιώντας στύπωμα Southern, έδειξε ότι όλα περιείχαν ανάλογα του γονιδίου Hsp70 που ήταν σχεδόν πανομοιότυπα στη δομή. Την ίδια περίοδο, ο Jim Bardwell και η Betty Craig από το Πανεπιστήμιο του Wisconsin στο Madison αναγνώρισαν το γονίδιο dnaK, επίσης ανάλογο του Hsp70, στο γονιδίωμα του Escherichia coli. Το αποτέλεσμα περαιτέρω λεπτομερούς μελέτης αυτού του ζητήματος ήταν η κατανόηση ότι τα γονίδια θερμικού σοκ, πρακτικά αμετάβλητα κατά την εξέλιξη, αντιπροσωπεύονται στα γονιδιώματα των εκπροσώπων και των πέντε βασιλείων του ζωντανού κόσμου.
Η επόμενη πρόοδος στην αλυσίδα των γεγονότων που ακολούθησε ήταν ο εντοπισμός μιας οικογένειας μεταγραφικών παραγόντων που ελέγχουν την έναρξη του πρώτου σταδίου της απόκρισης θερμικού σοκ. Πολλές ερευνητικές ομάδες από διαφορετικά πανεπιστήμια συμμετείχαν σε αυτή την εργασία, συμπεριλαμβανομένης της ομάδας του Morimoto. Οι επιστήμονες έχουν αποδείξει ότι η αύξηση της θερμοκρασίας των κυττάρων προκαλεί μια αλλαγή στο σχήμα αυτών των παραγόντων μεταγραφής, η οποία προάγει τη δέσμευσή τους με τους υποκινητές των γονιδίων θερμικού σοκ, τα οποία ξεκινούν τη σύνθεση πρωτεϊνών θερμικού σοκ. Επιπλέον, αποδείχθηκε ότι σε αντίθεση με τη μαγιά, τις μύγες των φρούτων και το νηματώδη Caenorhabditis elegans, που έχουν μόνο έναν παράγοντα μεταγραφής για τα γονίδια θερμικού σοκ, τα ανθρώπινα κύτταρα έχουν έως και τρεις τέτοιους παράγοντες. Ένα τόσο περίπλοκο σχέδιο ρύθμισης της έκφρασης των υπό μελέτη γονιδίων οδήγησε τους επιστήμονες να σκεφτούν την πολυλειτουργικότητά τους, κάτι που απαιτεί πρόσθετη μελέτη.
Περαιτέρω μελέτες έδειξαν ότι οι ίδιες οι πρωτεΐνες θερμικού σοκ ρυθμίζουν τη λειτουργία του μεταγραφικού παράγοντα που ξεκινά την παραγωγή τους στους κυτταρικούς πυρήνες. Έχει γίνει επίσης προφανές ότι οι πρωτεΐνες θερμικού σοκ εκτελούν τις λειτουργίες των μοριακών συνοδών - ελέγχουν την αναδίπλωση των αλυσίδων αμινοξέων, διασφαλίζοντας το σχηματισμό των σωστών χωρικών διαμορφώσεων των μορίων πρωτεΐνης και επίσης εντοπίζουν και εξαλείφουν τις αστοχίες σε αυτή τη διαδικασία. Έτσι, αποδείχθηκε ότι το κυτταρικό θερμόμετρο όχι μόνο μετρά τη θερμοκρασία, αλλά παρακολουθεί επίσης την εμφάνιση κακοσχηματισμένων και κατεστραμμένων πρωτεϊνών στο κύτταρο. Θερμικό σοκ και άλλοι στρεσογόνοι παράγοντες πλημμυρίζουν το κύτταρο με μη φυσιολογικές πρωτεΐνες, στις οποίες οι συνοδοί ανταποκρίνονται δεσμεύοντας αυτές τις πρωτεΐνες και απελευθερώνοντας τον μεταγραφικό παράγοντα 1 θερμικού σοκ (Hsf1). Τα μόρια αυτού του παράγοντα σχηματίζουν αυθόρμητα τριμερή (σύμπλοκα τριών μορίων) που συνδέονται με τις αντίστοιχες περιοχές του γονιδιώματος, τα οποία με τη σειρά τους πυροδοτούν τη σύνθεση πρωτεϊνών θερμικού σοκ. Η επακόλουθη αύξηση της συγκέντρωσης των πρωτεϊνών θερμικού σοκ στο απαιτούμενο επίπεδο, σύμφωνα με την αρχή της ανάδρασης, καταστέλλει τη μεταγραφική δραστηριότητα του μεταγραφικού παράγοντα Hsf1.
Η μελέτη της λειτουργίας των πρωτεϊνών θερμικού σοκ σε κυτταρικές σειρές περιόρισε σημαντικά τις δυνατότητες των ερευνητών, καθώς δεν παρείχε πληροφορίες σχετικά με τις συνοδευτικές αλλαγές που συμβαίνουν σε όλο το σώμα. Έτσι, γύρω στο 1999, ο Morimoto και οι συνάδελφοί του αποφάσισαν να στραφούν σε ένα νέο μοντέλο: το στρογγυλό σκουλήκι C.elegans. Εμπνεύστηκαν ιδιαίτερα από το έργο του Max Perutz, που δημοσιεύτηκε το 1994, ο οποίος διαπίστωσε ότι η αιτία της σοβαρής νευροεκφυλιστικής νόσου Η νόσος του Huntington ήταν μια συγκεκριμένη μετάλλαξη ενός γονιδίου που ονομάζεται huntingtin. Αυτή η μετάλλαξη έχει ως αποτέλεσμα τη σύνθεση μιας παραλλαγής πρωτεΐνης που περιέχει ένα επιπλέον θραύσμα από τη μακριά αλυσίδα του αμινοξέος γλουταμίνη, προφανώς διαταράσσοντας την κανονική διαδικασία αναδίπλωσης. Η συσσώρευση τέτοιων μη φυσιολογικών πρωτεϊνικών μορίων σε νευρώνες οδηγεί στην ανάπτυξη της νόσου του Huntington. Οι ερευνητές πρότειναν ότι η μελέτη πρωτεϊνών των οποίων ο μοριακός σχηματισμός διαταράσσεται λόγω της έκφρασης πολυγλουταμίνης ή παρόμοιων λόγων θα βοηθούσε στην κατανόηση της λειτουργίας του μοριακού θερμομέτρου.
Ενώ εργάζονταν για τη δημιουργία ζωικών μοντέλων έκφρασης πρωτεϊνών που περιέχουν περίσσεια αλληλουχιών πολυγλουταμίνης σε νευρώνες και μυϊκά κύτταρα, οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι ο βαθμός συσσωμάτωσης και η σχετική τοξικότητα τέτοιων πρωτεϊνών είναι ανάλογος με το μήκος τους και την ηλικία του οργανισμού. Αυτό τους οδήγησε να πιστέψουν ότι η καταστολή του μηχανισμού σηματοδότησης που προκαλείται από την ινσουλίνη που ρυθμίζει τη διάρκεια ζωής θα μπορούσε να επηρεάσει τη συσσώρευση πρωτεϊνών που περιέχουν πολυγλουταμίνη. Τα αποτελέσματα περαιτέρω μελετών επιβεβαίωσαν την ύπαρξη της προτεινόμενης σχέσης και επίσης κατέδειξαν ότι η επίδραση της λειτουργίας του μεταγραφικού παράγοντα Hsf1 στη διάρκεια ζωής του οργανισμού διαμεσολαβείται από έναν εξαρτώμενο από την ινσουλίνη μηχανισμό σηματοδότησης. Αυτές οι παρατηρήσεις κατέστησαν σαφές ότι η απόκριση θερμικού σοκ είναι εξίσου σημαντική τόσο για την επιβίωση του οργανισμού σε συνθήκες οξέος στρες όσο και για τη συνεχή εξουδετέρωση των τοξικών επιδράσεων των πρωτεϊνών που επηρεάζουν αρνητικά τη λειτουργία και τη διάρκεια ζωής των κυττάρων.
Η χρήση ζωντανών οργανισμών ως πειραματικό μοντέλο επέτρεψε στους επιστήμονες να οδηγήσουν την έρευνα σε ένα ποιοτικά νέο επίπεδο. Άρχισαν να δίνουν προσοχή στους μηχανισμούς με τους οποίους το σώμα αντιλαμβάνεται και ενσωματώνει πληροφορίες που έρχονται από έξω σε μοριακό επίπεδο. Εάν το στρες επηρεάζει τη διαδικασία γήρανσης, είναι λογικό να υποθέσουμε ότι οι πρωτεΐνες θερμικού σοκ, οι οποίες ανιχνεύουν την εμφάνιση και εμποδίζουν τη συσσώρευση κατεστραμμένων πρωτεϊνών στο κύτταρο, είναι αρκετά ικανές να επιβραδύνουν την ανάπτυξη των επιπτώσεων της γήρανσης.
Το γεγονός ότι πολλές ασθένειες που σχετίζονται με τη συσσώρευση πρωτεϊνών επιρρεπείς σε συσσωμάτωση χαρακτηρίζονται από συμπτώματα γήρανσης και όλες οι ασθένειες που βασίζονται σε διαταραχές στο σχηματισμό μορίων πρωτεΐνης σχετίζονται με τη γήρανση, υποδηλώνει ότι οι ευαίσθητες στη θερμοκρασία μετασταθερές πρωτεΐνες χάνουν τη λειτουργικότητά τους λόγω καθώς το σώμα γερνάει. Πράγματι, πειράματα στο C.elegans έδειξαν ότι η λειτουργία του μηχανισμού που ενεργοποιείται από τον μεταγραφικό παράγοντα Hsf1, καθώς και άλλα αμυντικά συστήματα κυττάρων, αρχίζει να εξασθενεί σχεδόν αμέσως μετά την ωρίμανση του οργανισμού. Ωστόσο, αποδείχθηκε ότι η ενεργοποίηση του μεταγραφικού παράγοντα Hsf1 στα αρχικά στάδια ανάπτυξης μπορεί να αποτρέψει τη διαταραχή της σταθερότητας των πρωτεϊνικών μορίων (πρωτεόσταση).
Αν και αυτή η ενδιαφέρουσα πιθανότητα μπορεί να μην ισχύει για πιο σύνθετους πολυκύτταρους οργανισμούς, όλα τα έμβια όντα αποτελούνται από πρωτεΐνες, επομένως τα αποτελέσματα που προέκυψαν από πειράματα σε στρογγυλά σκουλήκια είναι πιθανό να βοηθήσουν τους επιστήμονες να κατανοήσουν τους μηχανισμούς της γήρανσης του ανθρώπου.
Ωστόσο, αυτό δεν είναι το τέλος της ιστορίας. Τα αποτελέσματα της εργασίας που πραγματοποιήθηκε πρόσφατα υπό την καθοδήγηση του καθηγητή Morimoto υποδεικνύουν την ύπαρξη μηχανισμών για τη ρύθμιση της πρωτεόστασης που δεν απαιτούν άμεση παρέμβαση στη λειτουργία του μεταγραφικού παράγοντα Hsf1. Οι ερευνητές αποφάσισαν να πραγματοποιήσουν έναν κλασικό γενετικό έλεγχο μεταλλαγμάτων C.elegans που καταδεικνύουν διαταραχές στον σχηματισμό μορίων πρωτεΐνης στα μυϊκά κύτταρα. Ως αποτέλεσμα, βρήκαν ότι η μετάλλαξη που επηρεάζει αυτή τη διαδικασία εντοπίζεται στο γονίδιο ενός μεταγραφικού παράγοντα που ελέγχει την παραγωγή του νευροδιαβιβαστή γάμμα-αμινοβουτυρικό οξύ (GABA). Το GABA ελέγχει τη λειτουργία των διεγερτικών νευροδιαβιβαστών και ρυθμίζει τον μυϊκό τόνο. Ένα ενδιαφέρον γεγονός είναι ότι οποιαδήποτε διαταραχή στη σταθερότητα των μηχανισμών με τη μεσολάβηση GABA οδηγεί σε υπερδιέγερση, αναγκάζοντας τα μετασυναπτικά μυϊκά κύτταρα να ανταποκρίνονται σε ανύπαρκτο στρες, γεγονός που οδηγεί σε διαταραχή του σχηματισμού πρωτεϊνικών μορίων. Με άλλα λόγια, αποδείχθηκε ότι η δραστηριότητα των νευρώνων μπορεί να επηρεάσει τη λειτουργία των μοριακών θερμομέτρων άλλων κυττάρων στο σώμα, γεγονός που περιέπλεξε περαιτέρω την αναδυόμενη εικόνα.
Εάν αυτός ο μηχανισμός επεκταθεί στους ανθρώπους, τότε ίσως οι επιστήμονες θα μπορέσουν να αναπτύξουν μια μέθοδο επηρεασμού των νευρώνων που οδηγεί στην ενεργοποίηση πρωτεϊνών θερμικού σοκ στα κύτταρα των σκελετικών μυών και βοηθά στην εξάλειψη των συμπτωμάτων της μυϊκής δυστροφίας και άλλων ασθενειών των κινητικών νευρώνων. Ίσως ο χειρισμός αυτών των μηχανισμών θα καταστήσει επίσης δυνατό τον έλεγχο της διαδικασίας συσσώρευσης κατεστραμμένων πρωτεϊνών που σχετίζονται με τη γήρανση. Ωστόσο, δυστυχώς, δεν είναι όλα τόσο απλά όσο θα θέλαμε. Στο C.elegans, η ανάπτυξη της απόκρισης θερμικού σοκ σε όλα τα ενήλικα σωματικά κύτταρα ελέγχεται από ένα μόνο ζεύγος νευρώνων. Φαίνεται ότι η δραστηριότητα αυτών των νευρώνων και ο μηχανισμός ανάδρασης επιτρέπουν στα κύτταρα και στους ιστούς να ενεργοποιούν πρωτεΐνες θερμικού σοκ σύμφωνα με τις συγκεκριμένες ανάγκες τους. Το γεγονός είναι ότι διαφορετικοί ιστοί χαρακτηρίζονται από διαφορετική δραστηριότητα βιοσύνθεσης πρωτεϊνών, καθώς και από διαφορετική σοβαρότητα και φύση εξωτερικών επιδράσεων. Επομένως, μια καθολική προσέγγιση για τη διαχείριση της αντίδρασης θερμικού σοκ είναι κατ' αρχήν αδύνατη.
Οπλισμένοι με το έργο τους και τις πολλά υποσχόμενες ιδέες τους, ο Morimoto και αρκετοί από τους συναδέλφους του ίδρυσαν την Proteostasis Therapeutics, η οποία στοχεύει στον εντοπισμό θεραπευτικών μικρών μορίων που μπορούν να διορθώσουν τις παθολογικές επιδράσεις της συσσώρευσης μορίων πρωτεΐνης που έχουν παραμορφωθεί. Αυτή η προσέγγιση σχετίζεται με ένα αρκετά μεγάλο μερίδιο κινδύνου, καθώς το επίπεδο των πρωτεϊνών θερμικού σοκ αυξάνεται σε πολλές κακοήθεις ασθένειες. Ωστόσο, ο Morimoto και οι συνεργάτες του πιστεύουν ότι η κατεύθυνση που αναπτύσσουν έχει πάρα πολλές δυνατότητες να αγνοηθεί.
Σχετικά με τον Συγγραφέα
Ο καθηγητής Richard Morimoto, αφού υπερασπίστηκε τη διδακτορική του διατριβή, αφιέρωσε ολόκληρη την εργασία του στη μελέτη της λειτουργίας των πρωτεϊνών θερμικού σοκ και του ρόλου τους στη γήρανση του σώματος. Ο Morimoto έκανε τα πρώτα του βήματα προς την κατεύθυνση που είχε επιλέξει στο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ υπό την καθοδήγηση του Δρ Matt Meselson. Ο Richard Morimoto είναι επί του παρόντος διευθυντής του Ινστιτούτου Ρύζι για Βιοϊατρική Έρευνα στο Πανεπιστήμιο Northwestern στο Έβανστον του Ιλινόις και συνιδρυτής της Proteostasis Therapeutics (Κέιμπριτζ, Μασαχουσέτη).
Ευγενία Ριάμπτσεβα
Πύλη "Eternal Youth" βασισμένη σε υλικά από τον Επιστήμονα: Richard Morimoto,
Δομικές και λειτουργικές αλλαγές υπό την επίδραση υψηλών θερμοκρασιών.Η έκθεση σε υψηλή θερμοκρασία επηρεάζει κυρίως τη ρευστότητα των μεμβρανών, με αποτέλεσμα την αύξηση της διαπερατότητάς τους και την απελευθέρωση υδατοδιαλυτών ουσιών από το κύτταρο. Ως αποτέλεσμα, υπάρχει αποδιοργάνωση πολλών κυτταρικών λειτουργιών, ιδιαίτερα η διαίρεση τους. Έτσι, εάν σε θερμοκρασία 20 °C όλα τα κύτταρα υποβάλλονται στη διαδικασία της μιτωτικής διαίρεσης, στους 38 °C - κάθε έβδομο κύτταρο, και στους 42 °C - μόνο κάθε πεντακοσιό κύτταρο.
Η αυξημένη ρευστότητα των λιπιδίων της μεμβράνης, που προκαλείται από αλλαγές στη σύνθεση και τη δομή της μεμβράνης κατά τη διάρκεια της υπερθέρμανσης, οδηγεί σε απώλεια της δραστηριότητας των ενζύμων που συνδέονται με τη μεμβράνη και σε διαταραχή της δραστηριότητας ETC. Από τις κύριες διαδικασίες παραγωγής ενέργειας - φωτοσύνθεση και αναπνοή, το ETC της φωτοσύνθεσης είναι το πιο ευαίσθητο, ειδικά το φωτοσύστημα II (PS II). Όσον αφορά τα ένζυμα φωτοσύνθεσης, το κύριο ένζυμο του κύκλου φωτοσύνθεσης του C3, η καρβοξυλάση RuBP, είναι αρκετά ανθεκτικό στην υπερθέρμανση.
Η υπερθέρμανση έχει αισθητή επίδραση στο υδατικό καθεστώς του φυτού, αυξάνοντας γρήγορα και σημαντικά τον ρυθμό διαπνοής. Ως αποτέλεσμα, το φυτό αντιμετωπίζει έλλειψη νερού. Ο συνδυασμός ξηρασίας με θερμότητα και υψηλή ηλιακή ηλιακή ακτινοβολία έχει τις μέγιστες αρνητικές επιπτώσεις στις καλλιέργειες, διαταράσσοντας, μαζί με τη φωτοσύνθεση, την αναπνοή και το υδάτινο καθεστώς, την απορρόφηση των ορυκτών θρεπτικών στοιχείων.
Μοριακές πτυχές της βλάβης από θερμικό σοκ.Η θερμότητα καταστρέφει κυρίως τις πρωτεΐνες του κυττάρου, ιδιαίτερα τα ένζυμα, διαταράσσοντας τη διαδικασία της de novo βιοσύνθεσης πρωτεϊνών, αναστέλλοντας τη δραστηριότητα των ενζύμων και επάγοντας την αποικοδόμηση των υπαρχουσών πρωτεϊνών. Ως αποτέλεσμα, οι δεξαμενές ενζύμων που είναι σημαντικά για τη λειτουργία των κυττάρων τόσο κατά τη διάρκεια περιόδων στρες όσο και επακόλουθης επισκευής μπορεί να εξαφανιστούν. Τα περισσότερα βασικά φυτικά ένζυμα είναι θερμικά ασταθή, συμπεριλαμβανομένων των Rubisco, καταλάσης και SOD. Η αναστολή του Rubisco είναι ο κύριος λόγος για τη μείωση του IF σε υψηλή θερμοκρασία. Η θερμότητα αναστέλλει επίσης την ικανότητα μετατροπής της σακχαρόζης σε άμυλο στο κριθάρι, το σιτάρι και τις πατάτες, υποδεικνύοντας ότι ένα ή περισσότερα ένζυμα στην αλυσίδα μετατροπής αναστέλλονται έντονα από τη θερμότητα. Η άμεση επίδραση της θερμότητας στη δραστηριότητα της διαλυτής συνθάσης αμύλου στο ενδοσπέρμιο σίτου, τόσο in vitro όσο και in vivo, προκαλεί καταστολή της συσσώρευσης αμύλου.
Οι υψηλές θερμοκρασίες ανέστειλαν τη δραστηριότητα της καταλάσης σε πολλά είδη φυτών, ενώ η δραστηριότητα άλλων αντιοξειδωτικών ενζύμων δεν αναστέλλεται. Στη σίκαλη, οι αλλαγές στη δραστηριότητα της καταλάσης ήταν αναστρέψιμες και δεν άφησαν ορατή ζημιά μετά τη διακοπή της θερμότητας, ενώ στο αγγούρι, η ανάκτηση της δραστηριότητας της καταλάσης επιβραδύνθηκε (αναστέλλεται) και συνοδεύτηκε από αποχρωματισμό της χλωροφύλλης, υποδηλώνοντας πιο σημαντική οξειδωτική βλάβη. Σε σπορόφυτα καλαμποκιού που καλλιεργήθηκαν σε υψηλές θερμοκρασίες (35°C), η δραστηριότητα SOD ήταν χαμηλότερη από ό,τι σε σχετικά χαμηλές θερμοκρασίες (10°C).
Η θερμότητα διατάραξε την ακεραιότητα των μεμβρανών, γεγονός που οδήγησε στην αυξημένη διαπερατότητά τους σε ιόντα και διαλύματα. Ταυτόχρονα, διαταράχθηκε η δραστηριότητα των ενζύμων φωτοσύνθεσης, αναπνοής και αφομοίωσης που σχετίζονται με τη μεμβράνη. Η θερμότητα αύξησε τον βαθμό κορεσμού των λιπαρών οξέων στα μεμβρανικά φωσφολιπίδια του ER. Υπό συνθήκες ακραίας θερμότητας, οι μεμβράνες του υπέστησαν επιλεκτική βλάβη, προκαλώντας αποικοδόμηση του mRNA (3-αμυλάση. Ταυτόχρονα, η διαρροή ουσιών που προκαλείται από τη θερμότητα μέσω των μεμβρανών επηρεάζει το δυναμικό οξειδοαναγωγής των κύριων κυτταρικών διαμερισμάτων, το οποίο με τη σειρά του, διαταράσσει την πορεία των μεταβολικών διεργασιών μέχρι τον κυτταρικό θάνατο.
Το οξειδωτικό στρες έχει αναγνωριστεί πρόσφατα ως μια από τις πιο σημαντικές αρνητικές επιπτώσεις της θερμότητας στα φυτά. Η θερμότητα προκαλεί μια ανισορροπία μεταξύ της ποσότητας της ηλιακής ακτινοβολίας που απορροφάται από τις χρωστικές και της μεταφοράς ηλεκτρονίων μέσω των κυτοχρωμάτων, μια διαδικασία που ονομάζεται φωτοαναστολή. Η περίσσεια ενέργειας μπορεί να μεταφερθεί στο οξυγόνο, γεγονός που οδηγεί στο σχηματισμό ROS. Οι κύριες περιοχές της οξειδωτικής βλάβης στα κύτταρα είναι τα μιτοχόνδρια και οι χλωροπλάστες, όπου η μεταφορά ηλεκτρονίων διακόπτεται. Στους χλωροπλάστες, το στρες υψηλής θερμοκρασίας προκαλεί φωτοαναστολή της φωτοσύνθεσης και αδρανοποίηση της καταλάσης, που οδηγεί στη συσσώρευση ROS και λεύκανση της χλωροφύλλης. Το φωτοσύστημα II αναγνωρίζεται ως το πιο ευαίσθητο στη θερμότητα, οδηγώντας σε αποσύνθεση των λειτουργικών συστατικών του συμπλέγματος PS II και, κατά συνέπεια, διακοπή της μεταφοράς ηλεκτρονίων μεταξύ PS I και PS II, αύξηση της ροής ηλεκτρονίων στο μοριακό οξυγόνο και σχηματισμός ROS. Ως αποτέλεσμα, η FI μειώνεται, η οποία είναι η κύρια αιτία απώλειας των καλλιεργειών λόγω θερμότητας.
Πρωτεΐνες θερμικού σοκ.Η σύνθεση πρωτεϊνών θερμικού σοκ (HSPs) ως απόκριση στην αυξημένη θερμοκρασία ανακαλύφθηκε το 1974. Είναι χαρακτηριστικό όλων των τύπων ζωντανών οργανισμών, συμπεριλαμβανομένων των ανώτερων και κατώτερων φυτών. Το HSP σε όλους τους οργανισμούς αντιπροσωπεύεται από ένα μεγάλο σύνολο πολυπεπτιδίων, τα οποία συνήθως ονομάζονται σύμφωνα με το μοριακό τους βάρος, εκφρασμένο σε kilodaltons (kDa). Για παράδειγμα, η HSP με μοριακό βάρος 70 kDa ονομάζεται HSP 70. Ο σημαντικός ρόλος της HSP στη ζωή των κυττάρων υποδεικνύεται από την υψηλή διατήρηση της εξέλιξής τους. Έτσι, μεμονωμένες περιοχές στην εξέλιξη του HSP 70 διατηρούν πάνω από 90% ομολογία σε βακτήρια και ανθρώπους. Τα φυτικά HSP αντιπροσωπεύονται από μια ομάδα πρωτεϊνών υψηλού μοριακού βάρους (110-60 kDa) και χαμηλού μοριακού βάρους (35-15 kDa). Χαρακτηριστικά των φυτών είναι η πολλαπλότητα των HSP χαμηλού μοριακού βάρους και η υψηλή ένταση της σύνθεσής τους κατά τη διάρκεια θερμικού σοκ (HS).
Η σύνθεση HSP είναι ένα πρόγραμμα καταπόνησης που ενεργοποιείται από θερμικό σοκ και συμβαίνει όταν η θερμοκρασία αυξάνεται κατά 8-10 °C πάνω από την κανονική. Έτσι, στα φύλλα κριθαριού, η μέγιστη σύνθεση των HSP επιτυγχάνεται στους 40 °C και στα φύλλα ρυζιού - στους 45 °C. Η αλλαγή της κανονικής ζωής ενός κυττάρου σε ένα πρόγραμμα στρες περιλαμβάνει επαναπρογραμματισμό γονιδιώματος που σχετίζεται με την αναστολή της έκφρασης γονιδίων των οποίων η δραστηριότητα είναι χαρακτηριστική της ζωής υπό κανονικές συνθήκες και την ενεργοποίηση των γονιδίων TS. Στα φυτικά κύτταρα, το mRNA που κωδικοποιεί τα HSPs ανιχνεύεται 5 λεπτά μετά την έναρξη του στρες. Επιπλέον, λαμβάνει χώρα η αποσύνθεση πολυσωμάτων που συνθέτουν πρωτεΐνες τυπικές για κανονικές συνθήκες και ο σχηματισμός πολυσωμάτων που συνθέτουν HSPs. Η ταχεία ενεργοποίηση της σύνθεσης HSP σε επίπεδο όχι μόνο μεταγραφής (σύνθεση RNA στο DNA), αλλά και μετάφρασης (σύνθεση πρωτεϊνών σε mRNA) επιτυγχάνεται ως αποτέλεσμα του συντονισμού πολλών γεγονότων. Το θερμικό σοκ προκαλεί αλλαγές στο mRNA που συντίθεται στο κύτταρο πριν από το σοκ, που σχετίζονται με την τροποποίηση των παραγόντων μετάφρασης πρωτεΐνης και των ριβοσωμικών πρωτεϊνών. Επιπλέον, τα HSP mRNAs διαφέρουν από τα mRNA των συνηθισμένων πρωτεϊνών. Ως αποτέλεσμα του HS, η σύνθεση των συμβατικών πρωτεϊνών αποδυναμώνεται και στη συνέχεια διακόπτεται και η συσκευή πρωτεϊνοσύνθεσης μεταβαίνει στη σύνθεση των HSP, τα οποία ανιχνεύονται στο κύτταρο ήδη 15 λεπτά μετά την έναρξη του HS. Η μέγιστη σύνθεση παρατηρείται μετά από 2-4 ώρες, στη συνέχεια μειώνεται.
Η σύνθεση διαφόρων HSP λαμβάνει χώρα σε διαφορετικές θερμοκρασίες. Στους χλωροπλάστες, η σύνθεση των HSP υψηλού μοριακού βάρους ενεργοποιήθηκε στο εύρος των 34–42 °C, αποδυναμώθηκε στους 44 °C και μειώθηκε απότομα στους 46 °C. Η επαγωγή της σύνθεσης HSPs χαμηλού μοριακού βάρους ήταν ιδιαίτερα αισθητή στους 40-42 °C. Σημαντική αναστολή της σύνθεσης Rubisco σημειώθηκε μόνο σε θερμοκρασίες πάνω από 44 °C. Σχεδόν όλοι οι ανιχνευθέντες χλωροπλάστες HSP κωδικοποιούνται στον πυρήνα, συντίθενται στο κυτταρόπλασμα και στη συνέχεια μεταφέρονται στον χλωροπλάστη, όπου εκτελούν προστατευτική λειτουργία κατά τη διάρκεια του HS. Μετά το τέλος του θερμικού σοκ, η σύνθεση των HSP σταματά και η σύνθεση πρωτεϊνών χαρακτηριστικών του κυττάρου υπό κανονικές συνθήκες θερμοκρασίας ξαναρχίζει. Σε αυτή την περίπτωση, τα HSP mRNAs καταστρέφονται γρήγορα στα κύτταρα σε κανονικές θερμοκρασίες, ενώ οι ίδιες οι πρωτεΐνες μπορούν να επιμείνουν πολύ περισσότερο, παρέχοντας προφανώς αυξημένη αντίσταση των κυττάρων στη θερμότητα. Η παρατεταμένη έκθεση των κυττάρων σε συνθήκες HSP συνήθως οδηγεί επίσης σε εξασθένηση και διακοπή της σύνθεσης της HSP. Σε αυτή την περίπτωση, οι μηχανισμοί ρύθμισης της έκφρασης του γονιδίου HSP ενεργοποιούνται σύμφωνα με την αρχή της ανάδρασης. Η συσσώρευση των HSPs στα κύτταρα μειώνει τη δραστηριότητα των γονιδίων τους. Ίσως με αυτόν τον τρόπο το κύτταρο διατηρεί την ποσότητα του HSP στο απαιτούμενο επίπεδο, αποτρέποντας την υπερπαραγωγή τους.
Κατά κανόνα, ως απάντηση στην αύξηση της θερμοκρασίας, συντίθενται οι αντίστοιχες πρωτεΐνες, γεγονός που συμβάλλει στην αύξηση της θερμικής αντίστασης του σώματος. Ο προστατευτικός ρόλος του HSP περιγράφεται από το μοντέλο ενός μοριακού συνοδού (σε μετάφραση από τα αγγλικά - οδηγός, μέντορας σε νεαρό άτομο). Κάτω από ακραίες συνθήκες, τα HSP «φυλάσσουν» τη λειτουργία συγκεκριμένων μακρομορίων και κυτταρικών δομών, απελευθερώνοντας τα κύτταρα από κατεστραμμένα συστατικά, γεγονός που επιτρέπει τη διατήρηση της κυτταρικής ομοιόστασης. Η αλληλεπίδραση του HSP 70 με άλλες πρωτεΐνες εξαρτάται από την αναλογία ATP/ADP. Πιστεύεται ότι η HSP 70, σε ένα σύμπλοκο με ADP, διατηρεί την μη υφασμένη πρωτεΐνη και η αντικατάσταση της ADP με ATP οδηγεί στην απελευθέρωση αυτής της πρωτεΐνης από το σύμπλοκο με HSP 70.
Σύμφωνα με αυτό το μοντέλο, τα HSP αυξάνουν τη θερμική σταθερότητα των κυττάρων, παρέχοντας τις ακόλουθες διαδικασίες: εξαρτώμενη από την ενέργεια σταθεροποίηση της φυσικής δομής των πρωτεϊνών. σωστή συναρμολόγηση ολιγομερών δομών υπό συνθήκες υπερθερμίας. μεταφορά ουσιών μέσω των μεμβρανών των οργανιδίων· αποσύνθεση εσφαλμένα συναρμολογημένων μακρομοριακών συμπλεγμάτων. απελευθέρωση του κυττάρου από μετουσιωμένα μακρομόρια και ανακύκλωση των μονομερών που περιλαμβάνονται σε αυτά με τη βοήθεια ουβικιτινών. Οι ουμπικιτίνες είναι χαμηλού μοριακού βάρους πρωτεΐνες θερμικού σοκ, η σύνδεση των οποίων σε ένα πολυπεπτίδιο το καθιστά στόχο για πρωτεάσες. Αυτό είναι ένα είδος «σημαδιού θανάτου» για τις πρωτεΐνες. Με τη βοήθειά τους, οι πρωτεΐνες που είναι κατεστραμμένες και ημιτελείς ως αποτέλεσμα της δράσης του HS θανατώνονται και αφαιρούνται.
Μια σειρά από γεγονότα υποστηρίζουν την προστατευτική λειτουργία του HSP στο HS. Συγκεκριμένα, έχει αποδειχθεί ότι η απενεργοποίηση της πρωτεϊνικής σύνθεσης με συγκεκριμένους αναστολείς κατά τη διάρκεια της HS, όταν συμβαίνει η σύνθεση HSP, οδηγεί σε κυτταρικό θάνατο. Τα κύτταρα μπορούν να σκληρυνθούν, αυξάνοντας τη θερμική τους σταθερότητα με προηγούμενη βραχυπρόθεσμη έκθεση σε υψηλές θερμοκρασίες. Οι συνθήκες για μια τέτοια σκλήρυνση συμπίπτουν με τις συνθήκες για την επαγωγή της σύνθεσης HSP. Είναι ενδιαφέρον ότι η σύνθεση των HSPs στα φυτά προκαλείται όχι μόνο από τα HSPs, αλλά επίσης, για παράδειγμα, από άλατα καδμίου και αρσενίτη, η επεξεργασία με την οποία αυξάνει την αντίσταση των κυττάρων στη θερμότητα. Είναι επίσης σημαντικό να τονιστεί ότι οι αλλαγές στη δομή των γονιδίων (μεταλλάξεις) που διαταράσσουν τη σύνθεση των HSP οδηγούν σε απώλεια της κυτταρικής αντίστασης στη θέρμανση. Περαιτέρω μελέτες της ειδικής λειτουργίας κάθε HSP υπό πίεση θα καταστήσουν δυνατή την αποσαφήνιση των μοριακών μηχανισμών του σχηματισμού και της λειτουργίας προστατευτικών ιδιοτήτων κατά τη διάρκεια της HSP.
Οι περισσότερες πρωτεΐνες HS έχουν σχετικές πρωτεΐνες στα κύτταρα, οι οποίες συντίθενται σε κανονικές θερμοκρασίες συνεχώς ή κατά τη διάρκεια ορισμένων φάσεων της οντογένεσης. Αποδεικνύεται ότι αυτές οι πρωτεΐνες, ιδιαίτερα το HSP 70, προσκολλώνται σε άλλες πρωτεΐνες, προκαλώντας το ξεδίπλωμά τους και εμποδίζοντας τη συσσώρευσή τους. Το τελευταίο μπορεί να εμποδίσει την πρωτεΐνη να αποκτήσει την φυσική διαμόρφωση που είναι απαραίτητη για τη λειτουργική της δραστηριότητα. Το ξεδίπλωμα των πρωτεϊνών από τα HSP είναι απαραίτητο για τη διείσδυσή τους μέσω της μεμβράνης των χλωροπλαστών, των μιτοχονδρίων και του ER. Εφόσον η συσσώρευση πρωτεϊνών αυξάνεται απότομα με την αύξηση της θερμοκρασίας, η ενεργοποίηση της σύνθεσης HSP 70 υπό αυτές τις συνθήκες θα πρέπει να προστατεύει τις πρωτεΐνες από μη αναστρέψιμη βλάβη. Τα HSPs υπάρχουν σε όλα τα κυτταρικά διαμερίσματα, ιδιαίτερα στον πυρήνα και τους πυρήνες, όπου συσσωρεύονται κατά τη διάρκεια του HS. Το HSP 70 προάγει τη διέλευση των πρόδρομων ουσιών του χλωροπλάστου και των μιτοχονδριακών πρωτεϊνών που συντίθενται στο κυτταρόπλασμα μέσω της μεμβράνης, παίζοντας ρόλο στη βιογένεση αυτών των οργανιδίων. Το HSP 60, που σχετίζεται επίσης με τους συνοδούς, ονομάζεται επίσης σαπερονίνες. Αυτές οι πρωτεΐνες εξασφαλίζουν τη σωστή συναρμολόγηση της τεταρτοταγούς δομής των κυτταρικών πρωτεϊνών, όπως το βασικό φωτοσυνθετικό ένζυμο Rubisco, το οποίο αποτελείται από οκτώ μεγάλες και οκτώ μικρές υπομονάδες. Η ομάδα των συνοδών περιλαμβάνει επίσης το HSP 90, το οποίο παίζει σημαντικό ρόλο στο σχηματισμό ενός συμπλέγματος στεροειδών ορμονών με τους υποδοχείς τους. Επιπλέον, το HSP 90 σχηματίζει σύμπλοκα με ορισμένες πρωτεϊνικές κινάσες, ελέγχοντας τη δραστηριότητά τους. Οι πρωτεϊνικές κινάσες είναι γνωστό ότι φωσφορυλιώνουν μια ποικιλία κυτταρικών πρωτεϊνών, ρυθμίζοντας τη δραστηριότητά τους.
Πάνω από 30 χαμηλού μοριακού βάρους (15-35 kDa) HSPs βρέθηκαν σε φυτά, εντοπισμένα κυρίως σε κόκκους κυτταροπλασματικού θερμικού σοκ που εμφανίζονται κατά τη διάρκεια του HS και εξαφανίζονται μετά από αυτό. Η κύρια λειτουργία τους είναι να προστατεύουν τα «προ-σοκ» mRNAs, τα οποία επιτρέπουν στα τελευταία να χρησιμοποιηθούν για τη σύνθεση πρωτεϊνών μετά το τέλος του σοκ. HSP χαμηλού μοριακού βάρους βρίσκονται επίσης σε άλλα διαμερίσματα, ιδιαίτερα σε χλωροπλάστες. Πιστεύεται ότι προστατεύουν τις θυλακοειδή μεμβράνες, όπου εντοπίζονται οι διαδικασίες της φωτεινής φάσης της φωτοσύνθεσης, από το HS.
Σε ορισμένα φυτά, η συστατική (μη επαγόμενη) σύνθεση των HSPs έχει ανιχνευθεί κατά τον σχηματισμό, ιδίως, της γύρης. Είναι πιθανό τα HSP προ-σοκ να εξασφαλίζουν τη θερμική του σταθερότητα κατά τη διάρκεια του HS. Εκτός από τα HSP, η θερμότητα προκαλεί την έκφραση άλλων κατηγοριών πρωτεϊνών, ιδιαίτερα της καλμοδουλίνης.
Μεταβολισμός σε συνθήκες θερμικού σοκ.Υπάρχουν πολύ λίγες στοχευμένες μελέτες του μεταβολισμού των φυτών υπό την επίδραση του HS και σε αυτά τα πειράματα τόσο το HS όσο και η ξηρασία συχνά δρούσαν ταυτόχρονα. Αυτό είναι ένα πολύ σημαντικό σημείο, καθώς η απόκριση των φυτών σε συνδυασμό ξηρασίας και HS είναι διαφορετική από την απόκριση σε μεμονωμένους στρεσογόνους παράγοντες. Έτσι, κάτω από ένα συνδυασμό στρες, τα φυτά συσσώρευσαν αρκετά διαλυτά σάκχαρα, συμπεριλαμβανομένης της σακχαρόζης, της μαλτόζης, της τρεκαλλόζης, της φρουκτόζης και της γλυκόζης. Υπό την επίδραση της ξηρασίας, η προλίνη συσσωρεύεται, αλλά υπό την επίδραση του HS, καθώς και ενός συνδυασμού HS και ξηρασίας, η προλίνη δεν συσσωρεύτηκε στα φυτά. Υπό συνθήκες HS, η προλίνη ή το ενδιάμεσό της (πυρρολινο-5-καρβοξυλικό) είναι τοξικό, επομένως η προλίνη δεν είναι κατάλληλη ως συμβατός οσμολύτης. Με την ταυτόχρονη δράση του HS και της ξηρασίας, η περιεκτικότητα σε γλουταμίνη αυξάνεται απότομα. Προφανώς, όταν η βιοσύνθεση προλίνης αναστέλλεται, το γλουταμικό μετατρέπεται σε γλουταμίνη. Ταυτόχρονα, ενεργοποιούνται γονίδια που κωδικοποιούν τη διάσπαση του αμύλου και τη βιοσύνθεση των λιπιδίων και η έκφραση των γονιδίων που κωδικοποιούν την εξοκινάση, τη γλυκόζη-6-φωσφορική αφυδρογονάση, τη φρουκτοκινάση και τη σακχαρόζη-UDP-γλυκοζυλοτρανσφεράση επίσης αυξάνεται. Είναι οι αλλαγές στη γονιδιακή έκφραση σε επίπεδο μεταγραφής που αντιπροσωπεύουν τον κύριο παράγοντα στον επαναπρογραμματισμό του μεταβολισμού των υδατανθράκων.
Υπό την επίδραση του HS στα σπορόφυτα Arabidopsis, διαπιστώθηκε μια σύγχρονη αύξηση στο μέγεθος των δεξαμενών ενός αριθμού αμινοξέων και αμιδίων (ασπαραγίνη, λευκίνη, ισολευκίνη, θρεονίνη, αλανίνη και βαλίνη) που ελήφθησαν από AP και PVA. Επιπλέον, αυξήθηκε η περιεκτικότητα σε υδατάνθρακες: μαλτόζη, σακχαρόζη, γαλακτινόλη, μυοϊνοσιτόλη, ραφινόζη και μονοσακχαρίτες, πρόδρομες ουσίες του κυτταρικού τοιχώματος. Ήδη μετά από 6 ώρες, οι συγκεντρώσεις β-αλανίνης, γλυκερόλης, μαλτόζης, σακχαρόζης και τρεκαλόζης αυξήθηκαν.
Φωτοσύνθεση, διαπνοή και αναπνοή.Ένας δείκτης που σχετίζεται στενά με τη ρύθμιση του μεταβολισμού CO2 και H2O στα φυτά είναι η στοματική αγωγιμότητα. Εκτεταμένα στοιχεία υποδεικνύουν ότι οι υψηλές θερμοκρασίες προκαλούν το κλείσιμο του στομάχου, το οποίο μπορεί να θεωρηθεί ως έμμεση απόκριση στην εξάρτηση από τη θερμοκρασία των ελλειμμάτων πίεσης υδρατμών και της αναπνοής των φύλλων. Έτσι, το μερικό κλείσιμο των στομάτων είναι συνέπεια της αύξησης της ενδοκυτταρικής συγκέντρωσης CO2. Ωστόσο, το επιθυμητό κλείσιμο των στομάτων δεν οδηγεί σε μείωση της φωτοσύνθεσης, αφού οι θερμοκρασιακές εξαρτήσεις της στοματικής αγωγιμότητας και του IF δεν συμπίπτουν. Έτσι, η στοματική αγωγιμότητα αυξάνεται σε θερμοκρασίες όπου η φωτοσύνθεση αναστέλλεται μη αναστρέψιμα.
Αν και η στοματική αγωγιμότητα δεν φαίνεται να επηρεάζει άμεσα το IF, βοηθά στη ρύθμιση της διαπνοής, η οποία, ελέγχοντας τη θερμοκρασία των φύλλων, επηρεάζει τη θερμική ανοχή της φωτοσύνθεσης. Στις καλλιέργειες ορισμένων καλλιεργειών, με επαρκή παροχή υγρασίας, η θερμοκρασία του αέρα λόγω της θερμορύθμισης μπορεί να είναι σχεδόν 8 °C χαμηλότερη από τη θερμοκρασία του αέρα πάνω από την καλλιέργεια. Ταυτόχρονα, όταν υπάρχει έλλειμμα υγρασίας στο έδαφος, μπορεί να παρατηρηθεί η αντίθετη εικόνα - η θερμοκρασία των φύλλων στην καλλιέργεια υπερβαίνει τη θερμοκρασία του περιβάλλοντος αέρα κατά σχεδόν 15 °C, γεγονός που ενισχύει τον αρνητικό αντίκτυπο της ανεπάρκειας νερού στο ΑΝ.
Ο ρυθμός καθαρής φωτοσύνθεσης του σιταριού και των περισσότερων καλλιεργειών C3 είναι αρκετά σταθερός στην περιοχή 15-30 °C. Κάτω και πάνω από αυτό το εύρος θερμοκρασίας, το IF μειώνεται κατά 5-10% για κάθε βαθμό (Εικ. 3.1). Η σχετικά μικρή αλλαγή στην καθαρή φωτοσύνθεση στο εύρος των 15-30 °C δεν πρέπει να κρύβει το γεγονός ότι η ακαθάριστη φωτοσύνθεση στην πραγματικότητα αυξάνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας. Ωστόσο, λόγω της ταυτόχρονης αύξησης του ID ολόκληρου του φυτού και ιδιαίτερα της φωτοαναπνοής, η ένταση της καθαρής φωτοσύνθεσης αλλάζει ελάχιστα.
Υπάρχουν αξιοσημείωτες διαφορές μεταξύ των καλλιεργειών C3 και C4 από αυτή την άποψη, με τη βέλτιστη ένταση καθαρής φωτοσύνθεσης στα είδη C4 να παρατηρείται σε υψηλότερες θερμοκρασίες (30-40 °C). Η φωτοαναπνοή τους είναι ασήμαντη, με αποτέλεσμα η αύξηση της δέσμευσης του CO2 με την αύξηση της θερμοκρασίας να μην καλύπτεται από το φωτοαναπνευστικό κόστος. Πράγματι, η υψηλότερη βέλτιστη θερμοκρασία για καθαρή φωτοσύνθεση στα είδη C4 σε σύγκριση με τα είδη C3 εξηγείται από το χαμηλότερο αναπνευστικό κόστος σε υψηλές θερμοκρασίες στα πρώτα. Μη αναστρέψιμες αλλαγές στη φωτοσυνθετική τους συσκευή παρατηρούνται μόνο όταν η θερμοκρασία υπερβαίνει τους 40 °C, κυρίως λόγω βλάβης στο PS II που συμβαίνει μέσα σε λίγα λεπτά μετά την έναρξη της δράσης του HS, η οποία έχει καθοριστική επίδραση στην απόδοση.