Факультет

Студентам

Посетителям

Активные формы кислорода и система защиты от окислительных повреждений

Большая часть живых организмов на Земле не может обходиться без кислорода. Молекулярный кислород О2 не ядовит для клеток. Он играет главную роль в процессах окисления веществ в ходе дыхания.

Так, у растений 95-98 % кислорода используется как конечный акцептор электронов при дыхании. Он используется также при окислении различных веществ в клетке. Относительно небольшая часть кислорода (2-5 %) переходит в его активные формы, которые обладают высокой реакционной способностью и представляют большую опасность для клетки. К ним относятся перекисные соединения, супероксидные радикалы, синглетный кислород и др. Они обладают высокой биологической активностью, поэтому и получили название активные формы кислорода.

У растений в норме активные формы кислорода образуются постоянно и являются обычным продуктом обмена веществ. Они необходимы для обезвреживания чужеродных веществ, метаболизма фитогормонов, синтеза лигнина, старения, для защиты растений от патогенных микроорганизмов и для некоторых других реакций. Они образуются в различных частях клетки: в хлоропластах, митохондриях, пероксисомах, плазматической мембране, цитозоле, клеточной оболочке.

АФК могут играть положительную роль сигнальных молекул в растениях. Они являются основным компонентом стрессовых реакций, и в зависимости от уровня АФК определяется тип клеточного ответа на действие стрессора. Низкие концентрации АФК вызывают активацию защитных генов и развитие адаптивных реакций, а высокие концентрации приводят к гибели клеток. Процесс образования большого количества активных форм кислорода называют окислительным взрывом.

При неблагоприятных условиях среды, когда нарушается нормальный ход физиологических процессов, в первую очередь фотосинтез и дыхание, накопление активных форм кислорода происходит в избыточных количествах. А это может вызывать повреждение практически всех компонентов живой клетки. Такая же реакция на неблагоприятные условия характерна и для животной клетки.

Супероксидный радикал, или анион-радикал. Свободный радикал представляет собой частицу, имеющую не спаренный электрон на внешней электронной орбитали. Такую частицу обозначают символом .. Важным свойством радикала является высокая химическая активность и то, что он не может исчезнуть, пока не прореагирует с другим свободным радикалом. Супероксидный радикал образуется в результате реакции неполного восстановления молекулы кислорода с образованием аниона кислорода: О2 + ē → О2.-. Заряженная частица кислорода окружена молекулами воды. Поэтому О2.- не может преодолеть мембрану оказывается «замкнутым» в клетке и становится источником других форм АФК.

Перекисные соединения, например Н2О2, образуются в результате получения супероксидным радикалом еще одного электрона: О2.- + 2 ē + 2Н+ → Н2О2.

Гидроксил — радикал OH. образуется далее из перекиси путем ее восстановления еще одним электроном Н2О2 + ē + Н+ → OH.. Гидроксил-радикал является очень агрессивным соединением и окисляет любое вещество клетки.

Свободные радикалы и перекиси за короткое время жизни повреждают и изменяют нуклеиновые кислоты, белки-ферменты, липиды мембран и т.д. Примером повреждений служит пероксидное окисление липидов мембран. В этом случае АФК вступают в реакцию с полиненасыщенными жирными кислотами в составе фосфолипидов мембран. Это приводит к нарушению гидрофобности липидного бислоя и повышению проницаемости мембран. А так как почти все органеллы клетки имеют мембранное строение, то нарушаются функции органелл клетки. По этой же причине мембраны разрушаются и при старении клеток.

С окислительными повреждениями связана гибель водорослей и высших растений под действием света высокой интенсивности (фотоокислительная смерть). Такое явление можно наблюдать и летом (особенно при недостатке влаги), когда растительность «выгорает». На образовании свободных радикалов основано токсическое действие на сорняки некоторых гербицидов (паракват, дикват).

Избыточное образование различных форм активного кислорода является причиной многих патологических состояний организма.

Исходя из этого, способность растений контролировать уровень АФК может служить важным механизмом защиты растений против повреждающих воздействий (засухи, затопления, высоких температур, засоления и т.д.).

Система антиоксидантной защиты клетки включает ферментативный и не ферментативный компоненты.

К неферментативным антиоксидантам относятся аскорбиновая кислота (витамин С), витамин Е, пролин, глутатион, каротиноиды и некоторые другие низкомолекулярные органические соединения. Они взаимодействуют с АФК и нейтрализуют их.

Аскорбиновая кислота способна реагировать с супероксидным и гидроксильным радикалами и тем самым снижать их концентрацию в клетке. Глутатион защищает тиольные группы белков, инактивирует радикальные частицы, разрушает перекисные соединения, реагирует с активными формами кислорода. Он может стабилизировать мембранные структуры, удаляя ацильные перекиси, образующиеся в ходе перекисного окисления липидов мембран. Витамин Е защищает от повреждений фосфолипиды мембран и погруженные в липидный слой белки. Обезвреживает свободные радикалы в жировом слое клеточных мембран

Каротиноиды защищают хлоропласты и хлорофилл от фотоокисления, особенно при высокой освещенности. Важность каротиноидов по обезвреживанию АФК доказана опытами с мутантами гороха лишенными каротиноидов. Такие мутанты оказывались нежизнеспособными.

Ферментами — антиоксидантами являются супероксиддисмутаза (СОД), каталаза и пероксидаза.

Супероксиддисмутаза восстанавливает супероксид до перекиси:

О2.- + О2.- + Н2 → Н2О2

Каталаза затем разлагает пероксид до воды и кислорода:

2O2 → 2Н2O + O2

Такую же роль выполняет пероксидаза:

АН2 + Н2O2 → А + 2Н2O

(где АН2 — донор водорода, А — окисленный донор)

Каталаза (ЕС 1.11.16) широко распространена в растительных тканях. Она является двухкомпонентным Fe-порфириновым ферментом, состоящим из белка и соединенной с ним активной группой, которая содержит гематин. Различия разных каталаз обусловлены отличиями в составе или структуре белка. Существует не менее пяти 5 изоферментов каталазы.

Сущность каталитического действия каталазы состоит в разложении перекиси водорода с выделением молекулярного кислорода. Перекись водорода, образующаяся в обменных реакциях, в определенных концентрациях становится токсичной для клетки. В этих условиях большое значение для ее обезвреживания играет каталаза.

Существенна роль каталазы в снабжении молекулярным кислородом тех участков ткани, куда доступ его в силу тех или иных причин затруднен. Примером таких тканей могут служить ткани перикарпия сочных плодов, многослойная паренхима вегетативных запасных органов (клубни, корнеплоды и др.).

Каталаза относится к числу ферментов с наиболее высоким числом оборотов (она может расщепить 44 000 молекул Н2О2 в секунду). Для расщепления большого количества пероксида водорода требуется малое количество фермента.

Каталаза преимущественно находится в пероксисомах. К факторам, понижающим каталазную активность в тканях, относят недосток витаминов группы В, фолиевой кислоты, рибофлавина, витамина А. Снижать активность каталазы могут различные вещества: цианиды, азиды, сульфиды (они способны блокировать железо в гематиновой группе), нитраты, фосфаты, сульфаты, многие кислоты. Снижение активности каталазы также наблюдается при избытке метионина, тирозина, цистина, меди, цинка.

В живых тканях помимо каталазы перекись разлагается и пероксидазой. Однако было доказано, что каталаза выполняет каталитическую функцию независимо от присутствия пероксидазы. В отличие от пероксидаз, которые функционируют только при относительно низком уровне пероксида, каталаза способна эффективно работать при его высокой концентрации.

Пероксидазы (ЕС 1.11.17) включают группу ферментов, которые используют в качестве окислителя пероксид водорода. К ним относятся: НАДН-пероксидаза, НАДФН-пероксидаза, глутатион-пероксидаза, гваякол-пероксидаза, аскорбат-пероксидаза и др. Этот фермент катализирует окисление ароматических аминов, анилина, бензидина, тирозина, триптофана, индола, индолилуксусной кислоты, фенолов, ароматических кислот, и других. В ряду пероксидаз основное место занимает глутатион-пероксидаза. Так называемая гваяколовая пероксидаза, участвующая в биосинтезе лигнина, окисляет фенольные соединения.

Источником активного кислорода при каталитическом действии пероксидазы могут наряду с перекисью водорода служить и органические перекиси.

Пероксидаза является двухкомпонентным ферментом — гемпротеином, содержащим в простетической группе железопорфирин.

Очищенная кристаллическая растительная пероксидаза имеет молекулярную массу 44 000. По аминокислотному составу белок пероксидазы имеет некоторые особенности: в нем отсутствуют триптофан и оксипролин, к тому же он неоднороден.

Для эффективной работы фермента необходим селен, который входит в состав активного центра. Дефицит селена нарушает работу глутатионпероксидазы и других селеносодержащих ферментов.

Наибольшее количество селена содержится в белках с высоким содержанием цистина: образуются трисульфиды, которые подобно сульфгидрильным группам мембранных белков, регулируют стабильность и проницаемость мембран.

Этот фермент в разных изоформах присутствует практически во всех клеточных компартментах, включая и клеточную стенку. Обнаружено, что пероксидазы обеспечивают нормальный ход окислительных процессов при различного рода неблагоприятных воздействиях на растения.

Супероксиддисмутаза (СОД, ЕС 1.15.1.1) — широко распространенный в природе фермент, он обязательно присутствует у всех аэробных организмов, а также найден у некоторых анаэробных бактерий. Супероксиддисмутаза является первым антиоксидантным ферментом, который выделили Манн и Кейлис в 1938 году.

Супероксиддисмутаза катализирует реакцию восстановления супероксид радикала до пероксида водорода. Скорость реакции чрезвычайно высока и лимитируется только скоростью диффузии O2.

Супероксиддисмутаза осуществляет инактивацию радикалов кислорода, которые могут возникнуть в ходе биологических реакций переноса электронов или при воздействии металлов с переменной валентностью, ионизирующего, ультрафиолетового излучения, ультразвука, различных заболеваниях.

Механизм взаимодействия СОД с супероксидным радикалом точно не выяснен.

Фермент состоит из двух одинаковых субъединиц, соединенных дисульфидными связями. Характеризуется тем, что в своем составе может иметь различные металлы переходной валентности: Cu, Zn, Mn, Fe.

В растениях присутствуют несколько СОД, содержащих в активных центрах ионы Cu, Zn Fe или Mn. Mn-СОД локализована в основном в митохондриях, Cu-Zn-СОД — в цитоплазме, хлоропластах и пероксисомах, Fe-СОД — в хлоропластах. Наиболее высока концентрация супероксиддисмутазы в хлоропластах. СОД является центральным соединением антиоксидантной системы, защищая клетки от активных форм кислорода.

Накопление повышенных, неблагоприятных для растительного организма концентраций активных форм кислорода происходит при самых разнообразных воздействиях на растения. Н.М. Мерзляк приводит такой перечень факторов, вызывающих накопление активных форм кислорода: экстремальная температура; засуха; физиологические расстройства; заболевания; патотоксины; старение; нарушение минерального питания; гипоксия; тяжелые металлы; гербициды; загрязнение атмосферы; УФ-излучение; высокая интенсивность света, засоление. Как видно, образование активных форм кислорода происходит при действии практически всех неблагоприятных условий среды.

Растения в течение вегетации постоянно испытывают влияние экологических стрессоров разной напряженности и вынуждены приспосабливаться к ним. Поэтому потенциал устойчивости растений и конечная хозяйственная продуктивность растений зависит от способности их к нейтрализации активных форм кислорода.

Степень повреждения клеток активными формами кислорода зависит от эффективности работы антиоксидантной системы. У устойчивых растений выше активность супероксиддисмутазы, пероксидазы и каталазы, выше содержание витаминов С, Е и других низкомолекулярных веществ, которые способны нейтрализовать активные радикалы и перекиси.

Для борьбы с сорняками часто используют гербициды типа параквата. В результате возникли генотипы растений (некоторые виды плевела, табака (табак настоящий), устойчивые к таким гербицидам. Они обладают более высокой активностью СОД. Проростки тополя очень чувствительны к диоксиду серы. Но если предварительно обработать низкими концентрациями этого загрязнителя, то в растениях в несколько раз увеличивается активность СОД и повышается устойчивость к действию более высоких концентраций этого газа.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.



Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: