И.П. Ермаков - Физиология растений (1134204), страница 65
Текст из файла (страница 65)
ОБРАЗОВАНИЕ АКТИВНЫХ ФОРМ КИСЛОРОДА В ПРОЦЕССЕ НОРМАЛЬНОЙ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ РАСТИТЕЛЬНОЙ КЛЕТКИ Аэробные организмы и растения в особенности сталкиваются с постоянной опасностью: многие процессы, в которых участвует молекулярный кислород, сопровождаются образованием так называемых активных форм кислорода (АФК). Под этим термином подразумевают соединения, которые возникают в результате неполного восстановления Ов Постоянное образование АФК в растительной клетке является нормой и происходит главным образом в хлоропластах, митохондриях и пероксисомах.
Наиболее значимые АФК вЂ” супероксилрадикал (О;), пероксид водорода Н202 и гидроксилрадикал ОН . Кроме того, к АФК можно отнести синглетный кислород 'Оп возникающий при взаимодействии Ог с возбужденным светом хлорофиллом (см. подразд. З.б.4): 'О О О НО ОН' Первым продуктом восстановления кислорола является супероксидрадикал (О~), который образуется в результате захвата молекулой Оз одного электрона.
Одноэлектронное восстановление происходит при взаимодействии Ог с восстановленными компонентами электрон-транспортных цепей. У растений 01 образуется в норме в ЭТЦ дыхания и фотосинтеза. Донорами электрона могут быть восстановленные Ре-$-кластеры и редокс-центры„содержащие семихинонрадикал. Например, в дыхательной цепи даже в физиологических условиях 2 — 5% электронов идет на образования О, в сайтах, расположенных на комплексах 1, П и 1П.
В нефотосинтезируюших клетках митохондрии являются основными сайтами образования Ох При фотосинтезе приоритет в образовании О;, возможно, принадлежит хлоропласгам„хотя вопрос этот практически не изучен. Кроме того, образование супероксидрадикала возможно в коротких ЭТЦ, локализованных в мембранах пероксисом, функция которых связана с синтезом или, наоборот„деградацией некоторых соединений (рис.
4.25). Образование О„связано также с катаболизмом ксантина (соединения, которое образуется при разрушении нуклеотилов) в реакции, катализируемой ксантинокси дозой. 261 нлдн нлд' нлдФн нлдФ' Пероксисома Рис. 4.25. Образование Ог в мембра1их перокснсом. Б мембранах пероксисом из эндосперма клешевины и листьев гороха функционируют короткие этц, использующие кислород как акцептор электронов в нлд(Ф)н-зввисимой реакции. Зти цепи состоят из двух (или трех) интегральных белков с молекулярной массой 32, 18 и 29 кДа.
Один из белков (32 кДа) представляет собой флавапротеид (ФП), а белок с молекулярной массой 18 кДа — цитохром Ьг. Цепь устроена тек, ято генерация супероксидрддиквла осушествляется на цитозсльной стороне мембраны Супероксидрадикал имеет короткое время жизни (10 ь с) и быстро нейтрализуется при участии супе)гоксиддисмугназьг (СОД) с образованием перекиси водорода: Ог + Ог + 2Н = НгОг+ Ог Супероксилдисмутаза — жизненно важный фермент всех аэробных организмов, в составе которого есть атомы металлов. В клеточных компартментах СОД присутствует в разных изоформах. У растений это три изоформы: МпСОД (митохондрии, пероксисомы), Сн-Хп-СОД (цитозоль, хлоропласт, пероксисомы) и Ее-СОД (хлоропласт). Перекись водорода образуется не только в результате нейтрализации О; супероксидлисмугазой, но и в других реакциях, особенно интенсивно протекаюцгих в пероксисомах.
В зеленых тканях НгОг образуется в фотодыхательном цикле при участии еликолатоксидазы (см. гл. 3), а также при окислении аминокислот, пуринов и других соединений в реакциях, катализируемых так называемыми флавигговыми оксидазамн. Перекись является более стабильным продуктом, чем О;, и может диффугщировать в клетке на значительные расстояния и даже пересекать мембраны через аквапорины. Третий и самый опасный продукт неполного восстановления молекулы кислорода — гидроксилрвдикал (ОН ) — образуется в реикции Фенпгона при участии ионов железа: О;+ Розг — Бег++ Ог, Н Ог + Гег" Без'+ ОН + ОН' О;+ НгОг — ОН + ОН + Ог 262 Образование гидроксилрадикала фиксируется при патологических состояниях.
Он очень реакционноспособен и может окислять практически все. Его появление связано с существенным накоплением перекиси. Однако время жизни ОН мало (10 з с), и он не может диффундировать на значительные расстояния от мест своего образования. Таким образом, реальными АФК в клетке являются О, и НзОп образующиеся в нормальных физиологических условиях в разных процессах и реакциях. Супероксидрадикал и перекись, будучи химически активны, способны реагировать с разными соединениями, что может привести к деградации липидов и белков, вызывать повреждение ДНК и дезорганизацию цитоскелета (см. гюдразд. 8.6).
Так, АФК могут вступать в реакцию с полиненасыщенными жирнокислотными цепями в составе фосфолипидов, формирующих бислой мембраны, и тем самым спровоцировать процесс перекиеного окисления липидов. В результате цепной реакции окисления, идущей с образованием свободнорадикальных продуктов, нарушаются гидрофобность липидного бислоя и его проницаемость. Именно это приводит к разрушению мембран при старении клеток.
Особенно остро проблема, связанная с образованием АФК, имеет место у растений в связи с фотосинтезом. Образование синглетного кислорода и супероксидрадикала в хлоропластах может сопровождаться разрушением фотосинтетического аппарата в результате фотоингибирования и деградацией хлорофилла (см. подразд. 3 «Е4). 4.3.2. АНТИОКСИДАНТНЫЕ СИСТЕМЫ Если растения и животные образуют АФК в процессе нормальной жизнедеятельности и при этом остаются живыми, значит, они контролируют их содержание, избегая накопления опасных молекул. В хлорогиастах нейтрализация 'Оз связана с эффективной защитой каротиноидных пигментов (см. гл.
3 «Фотосинтез»). В митохондриях действие альтернативной оксидазы и механизма разобщения с помощью 1/СР-белков снижает вероятность генерации в дыхательной цепи супероксидрадикала (см. подразд. 4.2.8 и 4.2.10). Вторую линию защиты в клетках аэробных организмоз создают эффективно действующие соединения и ферменты-антиоксиданты, работающие на ликвидацию АФК и репарацию возможных повреждений. Важнейшими антиоксидантами являются аскорбиновая кислота (витамин С), глутатион„о-токоферол (витамин Е) (рис.
4.26). Последний локализован в мембранах и способен неферментативно взаимодействовать с АФК, предотвращая процесс перекисного окисления липидов (рис. 4.27). Ткани растений в больших количествах содержат аскорбиновую кислоту, которая присутствует во всех клеточных компартментах„включая апопласт. Окисление аскорбата сопровождается образованием моно- или дегидроаскорбата. Глутатион — это небольшой пептид„имеющий активную БН-группу. При окислении две молекулы глутатиона образуют дисульфидную связь: 2à — ЯН = à — 8 — Б — Г + 2Н'. Аскорбиновая кислота и глутатион активно участвуют в защитных ферментативных реакциях.
Содержание О; и НзОз в клетке контролируется ферментами — антиоксидантами: супероксиддисмутазой, каталазой, гваяколовой пероксидазой, аскорбатпероксидазой, глутатионпероксидазой, а также ферментами аекорбат-глу- 263 о-с нос о иос нс о-с 2Н О=С о — о-с 1 носн 1 сн,он Аскорбиновая кислота (АК) 1 носн 1 сн,он Депщювскорбиззоввя кислота (ДГА) Глутвтион (à — БН) но н,с сн, а-Токоферол (витвмин Е) Рис.
4.26. Молекулы-антноксиданты. При окислении 2 молекулы восстановленного глугатионв 1 — БН образуют днсульфилную связь: -зн' 2à — БН Г вЂ” Б — Б — Г. При окислении аскорбиновой' кислоты да дегидроаскорбиновой кислоты (АК ДГА) в качестве промежуточного продукта может быть образован монодегилроас-зн' корбат (АК МДГА) глатионового цикла. Катаяаза — это гемсодержащий фермент„локализованный в пероксисомах и, по некоторым данным, в митохондриях, эффективно разлагает перекись в реакции: 2нзоз — 2Нзо + Оз Пероксидаза — это также гемсодержащий гликопротеид, который в разных изоформах присутствует практически во всех клеточных компартментах, включая и клеточную стенку.
Пероксидазы способны восстанавливать перекись до воды, окисляя различные соединения. Так называемая гваяколовая пероксидаза, участвующая в биосинтезе лигнина (компонент клеточных стенок), окисляет фенольные соединения. Аскорбатпероксидаза и глутатионпероксидаза используют аскорбат и восстановленный глутатион для удаления перекиси в реакции: Анз + Нзоз — А+ 2нзо, где Анз — аскорбат или восстановленный глутатион. Для постоянного удаления перекиси необходимо, чтобы уровень восстановленных аскорбиновой кислоты и глутатиона был достаточно высоким. Для этого совместно действуют нескольких ферментов в так называемом аскорбав- соон 1 нс — )чн, 1 (СНз)з 1 с=о 1 )чн 1 сн-сн,-бн 1 с=о 1 нн 1 сн, 1 соон СНз сн, сн, 1 1 1 (СНз)з СН (СНз)з СН (Снз)з СН СНз сн, НАД(Ф)Н НАД[Ф)+ вдхняперокенд- рвднхзл Рнс.
4.27. Защитное действие а-токоферола в мембране. АФК атакуют лнпнды мембран, провоцнруя цепные реакцнн перекнсного окнслення. Прн этом обрвзуюгея свободнорвднквяьные продукты, которые могуг быть нейтрвлнвоввны а-тоягя)городом, который отдает атом водорода. Тушенне свободного ряднквлв а-гокоферояв связано е одневеннем пула вскорбвгв. АК вЂ” вскорбвг; МДГА — монодегндровекорбвп МДГАР— моноде- гндровскорбвгредуктвзв глутатионовом цикле, целью которого является ликвидация перекиси.
Цикл включает взаимосвязанные окнслительно-восстановительные реакции с участием аскорбата, глугатиона и НАДФН (рис. 4.28). Поддержание пула восстановленных аскорбата и глутатиона зависит от содержания НАДФН. Последний активно образуется при фотосинтезе в хлоропластах, при работе оПФЦ в цитозоле, а также в митохондриях с участием НАДФ-зависимой изоцитратдегидрогеназы. Аскорбат-глугатионовый цикл активно действует в хлоропластах и цитозоле. Вопрос о наличии цикла в растительных митохондриях, где активность глутатионпероксидазы высокая, остается дискуссионным. Таким образом, образование АФК в клетке и их ликвидация системами защиты находятся в состоянии динамического равновесия.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
