И.П. Ермаков - Физиология растений (1134204), страница 66
Текст из файла (страница 66)
При серьезной разбалансировке этих процессов уровень АФК будет расти, что может привести к окнслитсльному стрессу и поврежлению клеточного содержимого. Именно это и происхолит в неблагоприятных условиях„при действии на организм стрессов разной природы. Подобно тому, как многие болезни человека сопровожлаются увеличением в клетках активных форм кислорода, у растений накопление АФК наблюдается при старении тканей, а также при стрессах, вызванных засухой, высокой интенсивностью света, повышенным содержанием озона и УФ-облучением, низкой температурой, внедрением патогена, засолением, действием гербицидов, высокими концентрациями кадмия, алюминия и т.д. Стресс сопровождается на только чрезмерной генерацией АФК, но и изменением активности ферментов-антиоксидантов в ту или другую сторону.
Полагают, что уровень антиоксидантной защиты и способность быстро среагировать на опасную ситуацию увеличением активности определяют устойчивость растений к стрессу. НАДФ+ ГР НАДфН Г-88- н,о, о, н,о 2Нзо 4е +4Н" +От Рис. 4.28. Образование и нейтрализация супероксидрадикала. Супероксидрадикал образуется при функционировании ЭТН в мембранах хлоропластов и митохондрий и быстро превращается в перекись при участии супероксилдисмутазы. Нейтрализация перекиси может быть связана с функционированием аскорбат-глугатионового цикла в строме хлоропластов, цитозоле и, возможно, в матриксе митохондрий.
СОД вЂ” супероксилдисмутаза; Апер — аскорбатпероксидаза; Ак — аскорбат; мДГА — монодегидроаскорбат; мДГАР— монодегидроаскорбатредуктаза; ДГА — дегидроаскорбат; ДГАР— дегидроаскорбатредуктаза; à — ЯБ — à — глутатион окисленный; à — $Н вЂ” глутатион восстановленный; ГР— глутатионре- дуктаза К настоящему моменту получены трансгенные растения с оверэкспрессией ряда ферментов-антиоксидантов, локализованных в тех или иных клеточных компартментах. Растения табака (Лг(собала гаЬасигп) с оаерэкспрессией Сн-ХпСОД или глутатионредуктазы в цитозоле проявляли болыную устойчивость к высоким концентрациям озона; растения риса (Огуба лаггпа) с оверэкспрессией каталазы проявляли большую устойчивость к низкотемпературному стрессу.
В то же время оверэкспрессия хлоропластной изоформы аскорбатпероксидазы у табака не влияла на устойчивость растений к озону. Следует заметить, что исследования, связанные с получением трансгенных растений с более высокой антиоксидантной активностью, начались недавно и представляют большой интерес как в практическом отношении, так и для теоретической стресс- физиологии растений. 26б 4.3.3. АФК ЗАЩИЩАЕТ РАСТЕНИЕ ПРИ ВНЕДРЕНИИ ПАТОГЕНА АФК являются опасным и неизбежным следствием аэробного образа жизни, однако они выполняют и другие функции, в частности зашитную. И здесь существует удивительная аналогия между растениями и животными. Давно известно, что фагоциты животных поглощают Оз с большой скоростью, что сопровождается интенсивным образованием 0; и НзОь Эти соединения как раз и являются тем оружием, которым фагоциты убивают чужеродные клетки.
Дыхательный «взрыв» у растений, связанный с чрезмерной генерацией АФК, был впервые зарегистрирован в ответ на внедрение патогена в реакции «сверх- чувствительности»*, В клетках растений сверхгенерация супероксидрадикала, так же как и у фагоцитов, происходит в результате реакции: НАДФН + 20з — НАДФ" -~ 20; + Н Как и в фагоцитах, данная реакция катализируется НАДОИ-оксидазой, расположенной в плазмалемме растительных клеток. Есть данные, что в реакцию сверхчувствительности вовлекаются пероксидазы клеточной стенки, которые способны катализировать образование Оз и НзОз при избытке НАДН в Мпмзависимой реакции. 4.3.4.
СУПЕРОКСИДРАДИКАЛ И ПЕРЕКИСЬ ВОДОРОДА ДЕЙСТВУЮТ КАК СИГНАЛЬНЫЕ МОЛЕКУЛЫ Как выяснилось, в клетках животных и растений О," и НзОт в низких концентрациях могут действовать как сигнальные молекулы, влияющие на экспрессию генов. Показано, что в клетках животных они стимулируют накопление цАМФ и цГМФ, вход в клетку ионов Са", вызывают активацию протеинкиказ и т.д. Регуляторная роль этих молекул в жизни растений стала понятной при исследовании ответных реакций на действие стрессовых факторов.
Давно было замечено, что некоторые стрессы сопровождаются у растений повышением клеточного уровня 0' и НзОь В этом случае роль этих опасных молекул двойственная. С одной стороны„они провоцируют окислительные реакции, способные привести клетку к гибели, с другой — выступают как участники сигнальных каскадов, в результате которых происходит экспрессия генов„контролирующих синтез компонентов защитных систем. Выше (см. подразд. 4.2.
! 0) было показано, что альтернативная оксидаза препятствует развитию окислительного стресса и часто ее активность увеличивается в неблагоприятных для растения условиях. В эксперименте синтез АО бе поко в растении можно стимулировать действием таких стимулов, как низкая температура, атака патогена, обработка салициловой кислотой и антимицином А. Во всех случаях наблюдается четкая корреляция между экспрессией гена Аох! и накоплением перекиси. Так, в культурах клеток табака подавление цитохромного дыхания антимицином А сопровождалось интенсивным образованием 0; и накоплением переки- * Реакция сверхчувствительности связана с образованиел» некрозов и гибелью кяеток растения в месте внедрения патогена. Таким способом, т.е. ценой гибели собственных клеток, растению удается избавиться от инфекции.
2б7 си. В этих условиях уже через 60 мин резко возрастало содержание мРНКАох1, а через несколько часов увеличивались содержание и активность АО. Отсюда следует важный вывод: сигнал для синтеза АО бе почо возникает в митохондриях и передается в ядро (рис. 4.29). Как было показано на культурах клеток табака и петунии (Регата зр.), транскрипцию гена Аох! и синтез АО можно вызвать обработкой клеток экзогенной перекисью водорода или салициловой кислотой. Известно, что салициловая кислота связывает и блокирует каталазу, что, естественно, приводит к повышению внутриклеточного содержания перекиси. На основании этих данных исследователи вполне справедливо пришли к выводу, что НзОз действует как сигнальная молекула, вторичный мессенджер в цепи сигнальной трансдукции, результатом которой являются экспрессия гена Аох! и синтез АО.
Перекись является также звеном в цепи передачи сигнала, включающего экспрессию генов, кодирующих синтез ферментов аскорбат-глутатионового цикла. Например, добавлением перекиси можно инициировать синтез аскорбатпероксидазы в культурах клеток риса (Ого~а еайаа). Известно, что салициловая кислота, которая синтезируется в растении, обладает гормональной активностью и участвует в индукции ответных реакций растения на внедрение патогена.
Оказалось, что в этом случае эффект объясняется способностью салициловой кислоты блокировать активность каталазы. Именно накопление перекиси влияет на транскрипцию генов, контролирующих синтез РК (ра!поцепеяз-ге!а!со)-белков. Таким образом, при внедрении патогена появление в клетке НзО~ является сигналом для экспрессии генов, включенных в системную устойчивость. Однако наиболее интригующей является роль АФК в апоптозе, т.е. генетически программируемой клеточной смерти. Апоптоз в клетках животных связан с деградацией белков, конденсацией хроматина и сопровождается характерными цитологическими изменениями. Специфические протеазы (сазразез) и эндонуклеаза, которые в норме присутствовали в цитозоле в неактивной форме, вовлекаются в апоптоз и участвуют в разрушении белков и фрагментации ДНК. Известно, что активация каспаз связана с их протеолитическим расщеплением. Долгое время считали, что митохондрии не вовлекаются в апонтоз, так как не подвергаются видимым изменениям.
Однако оказалось, что именно митохондрии — главные участники активной программы клеточной смерти. Внутреннее пространство митохондрий содержит особые белки, которые при выходе в цитозоль вызывают активацию каспазы и эндонуклеазы, тем самым инициируя апоптоз. Прежде всего, это так называемый АГР-факглор (аророз(з1псиссс Гасгог) и цитохром с, локализованные в межмембранном пространстве. Однако что же заставляет эти соединения выходить из митохондрий и как они это делают? Еще до наступления видимых изменений, характерных для апоптоза, в митохондриях фиксируется повышенный уровень О;. Супероксидрадикал, действуя прямо или косвенно, инициирует формирование специальных тгРТР-пор (регшеаЬ1!1!у !гапз1!1оп роге). Они представляют собой комплекс белков, формирующий в месте контакта внутренней и наружной мембран широкий канал, или пору, через которую в цитозоль выходят А1Р-фактор и цитохром с (рис.
4.30). В образовании пйРТ-пор принимают участие белки„которые в норме выполняли в митохондриях другие функции. Точный состав пйРТ-пор неизвестен, но есть основания думать, что в их состав входят: 268 Ялро Ы Рис. 4.29. Взаимодействие ядра и митохондрий в регуляции синтеза альтернативной оксидазы. АО копируется ллерным геном Асх!, на экспрессию которого влияет уровень НзО, в гсчетке. Факторы, способствующие накоплению перекиси, стимулируют синтез АО 269 Рис. 4.30. Формирования пхРТ-пор: А — иормальиое состояиис митохондрий.
Во внутренней мембране работает дыхательная цепь и синтезируется АТФ. Цитохром с иаходится в мезкмембраииом пространстве и участвует в работе дыхательной цепи. Обмен АТФ иа АДФ осуществляется через АТФ/АДФ транс- локатор, локализованный во виутреиией мембране. А!Р-фактор присутствует в матриксе. НОАС-каиал формирует крупные поры в иаружиой мембране; Б — иитенсивиос образоваиие в дыхательной цепи супероксидрадикала иа комплексах 1 и 3 провоцирует формироваиис ппРТ-пор в »1есте каитакта внутренней и наружной мембраны.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
