WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 |
ACTIVATED OXYGEN АКТИВИРОВАННЫЙ КИСЛОРОД SPECIES IN PLANTS И ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТЬ M. N. MERZLYAK РАСТЕНИЙ The current data on acti..

vated oxygen species ‚ „‰‡‚ ‚ (oxygen radicals, hydro... ‚‡ gen peroxide and singlet oxygen) properties, their formation and roles in normal functioning and Появление в атмосфере Земли молекулярного кислорода как побочного продукта фотосинтеза etiology of pathological древних фототрофов явилось событием в биологиstates in plants are briefly ческой эволюции и имело два важных следствия.

considered.

Во-первых, в клетке возникли механизмы его использования в качестве универсального конечного акцептора электронов при дыхании, а также при ‡ ‚окислении различных субстратов. Во-вторых, по ‰‡‚fl стоянно сталкиваясь с кислородом, живые организмы были поставлены перед необходимостью выра‡ ‡‚‚‡ботать эффективные способы для предотвращения „ ‰‡: ‚·‰его токсического действия. В становление пред ‰ ‡‰ставлений об участии форм активированного кислорода (АК) и свободных радикалов в биохимических ‡‡, ‰ ‚‰процессах большое значение имели теория перекис‰‡, „ ного окисления Баха–Энглера (еще в начале века ‰, fl ·‡А.Н. Бах писал: “Организм… обладает способностью переводить свободный кислород из недеятель‚‡fl, ‚ ‡ного состояния в деятельное”), теория цепного ‚‡ свободнорадикального окисления, разработанная ‡‚ ‡„Н.Н. Семеновым, а также исследования американского ученого И. Фридовича, показавшего образо fl ‡.

вание кислородных радикалов в ферментативных реакциях и открывшего способность уничтожать (дисмутировать) некоторые свободные радикалы кислорода с помощью ферментов, получивших название супероксиддисмутаз (СОД).

Молекулярный кислород в основном состоянии (рис. 1) представляет собой триплет (имеет два неспаренных электрона с параллельными спинами, которые локализованы на различных орбиталях).

Большинство органических молекул синглетны, их электроны обладают антипараллельными спинами.

Вследствие различий в направлении спинов электронов взаимодействие органических молекул с молекулой кислорода протекает достаточно медленно.

Однако в клетке существует вероятность образования некоторых форм молекулярного кислорода, которые обладают необычайно высокой “агрессивностью” и способны повреждать практически все компоненты клетки, включая белки, ферменты, ДНК и мембранные структуры. Образование таких форм АК, которые представляют собой свободнорадикальные частицы (супероксидный анион-радикал, перекисные радикалы, гидроксильный радикал), ‹9, © fl.., Эта проблема особенно интересна в приложеP Возбужденные состояния нии к растениям, поскольку они, осуществляя фо3 пигмента P тосинтез, постоянно подвергаются действию предOставляющего опасность светового излучения и существуют при высоких концентрациях молекуOлярного кислорода, выделяя его в результате фотоh окисления воды в хлоропластах. Неудивительно, Синглетный Гидроперекисный что у растений появилась сложная и достаточно эфкислород радикал HOфективная система защиты от токсичности кислоH+ рода. Несмотря на это, растения часто оказывают- - - - 3 e e e e g (O2) O2 2H+ H2O2 H+ HO H+ H2O ся в состоянии так называемого окислительного стресса, которое обусловлено образованием повышенных количеств АК в тех или иных структурах Кислород Супер- Пероксид Гидроксильв основном оксидный водорода ный радикал клетки (рис. 2). Вместе с тем в последнее время потриплетном анионлучены указания на то, что некоторые из форм АК состоянии радикал выполняют определенные функции в нормальном P (пигмент) организме и в некоторых случаях выступают в качестве тех сигнальных молекул, которые контролируРис. 1. Основные формы активированного кислоют важные регуляторные механизмы и физиологирода. Стрелками в кружках показаны направления ческие ответы растительной клетки.

спинов электронов молекулярного кислорода, супероксидного аниона и синглетного кислорода.

В основном состоянии молекулярный кислород находится в триплетном состоянии (3 ) с паралg, лельными спинами и малоактивен. Формы АК (выделены красным цветом), к которым относят кислородные радикалы, возникающие из них продук‚·‰ ‡‰‡, ‡‰‡ ‰‡ ты, и синглетный кислород обладают высокой реакционной способностью и повреждают липи- ‰ ‚‰‰‡ ды, ферменты, нуклеиновые кислоты, мембранные структуры клетки.

Свободный радикал представляет собой частиСхематично показаны основные этапы последоцу, имеющую неспаренный электрон на внешней вательного одноэлектронного восстановления электронной орбитали (см. [5, 7]). Такую частицу молекулярного кислорода до воды, в ходе которообозначают символом •. Важными свойствами свого образуются супероксидный анион-радикал, пероксид водорода и гидроксильный радикал. бодного радикала является его высокая химическая Возникновение синглетного кислорода связано активность и то, что он не может исчезнуть, пока не преимущественно с фотохимическими реакцияпрореагирует с другим свободным радикалом в реми: поглощением пигментом (Р) кванта света (h ) акции, которую называют реакцией рекомбинации и переносом энергии с его возбужденных сингили дисмутации. В биологической литературе, полетных (1Р) и триплетных (3Р) состояний на молекулярный кислород священной изучению окислительных повреждающих реакций, долгое время оставалось неясным, в каких именно реакциях образуются и что представили нейтральные молекулы (пероксид водорода и ляют собой первичные свободные радикалы. Теперь синглетный кислород), происходит как в неферстановится все более очевидным, что ими чаще всементативных, так и ферментативных реакциях под го являются свободные радикалы молекулярного действием многих токсических агентов, видимого кислорода, и в первую очередь супероксидный анисвета, ионизирующего, ультрафиолетового излучеон O•-. Образование кислородных радикалов, а ний (рис. 1). Важно, что клетка обладает значительтакже некоторых других форм АК можно предстаным арсеналом средств, которые контролируют обвить как последовательные этапы одноэлектронного разование всех форм АК и обеспечивают защиту от восстановления молекулярного кислорода до воды них. Вместе с тем при патологических состояниях (рис. 1). Первичным продуктом такого восстановлекак животных, так и растительных организмов часния является O•- или при слабокислых значениях то происходит накопление тех или иных форм АК.



рН – его протонированная форма, гидроперекисБолее того, есть определенные свидетельства того, ный радикал (HO•). Эти радикалы обладают слабычто именно неконтролируемое или несбалансироми окислительно-восстановительными свойствами ванное образование этих форм является непосреди сами по себе редко вызывают повреждение биолоственной причиной злокачественного роста, многических молекул. Однако O•- представляет больгих заболеваний, интоксикаций, физиологических шую опасность, поскольку он имеет большое время расстройств и т.д. Многие аспекты этой широкой жизни и становится источником других форм АК.

проблемы уже обсуждались в “Соросовском Образовательном Журнале” В.П. Скулачевым [5] и В.И. Образование пероксида водорода (Н2О2) происКулинским [8]. ходит при последующем получении еще одного.. Эндоплазматический ретикулум Флавиновый фермент НАДФН-зависимой цепи Вакуоль Ядро переноса электронов, цитохром Р-Хлоропласты синглетный кислород, триплеты хлорофилла, кислородные радикалы Пероксисомы в фотосистемах I и II, ксантиноксидаза рибулезодифосфаткарбоксилаза Клеточная стенка пероксидаза Плазматическая Митохондрии Цитозоль мембрана цепь переноса электронов, автоокисление, редуктаза убихинона, неферментативные реакции, НАДФН-зависимая цианид-резистентное пероксидазное окисление цепь переноса дыхание электронов Высокие интенсивности света Экстремальные температуры УФ- и ионизирующее излучения Засуха Загрязнители атмосферы Физиологические расстройства Гербициды Заболевания Тяжелые металлы Патотоксины Гипероксия и гипоксия Реакция сверхчувствительности Нарушения минерального питания Старение Рис. 2. Основные места образования форм активированного кислорода в растительной клетке и список патологических состояний растений, в развитии которых предполагается их участие.

Образование АК происходит во многих структурах растительной клетки, но механизмы их возникновения различны. Предполагается, что в хлоропластах возникают как синглетный кислород (в светозависимых реакциях при участии триплетных состояний хлорофилла), так и кислородные радикалы (при функционировании цепей переноса электронов, фотоокислении воды, фиксации углекислоты). Генерация АК (супероксидного радикала) обнаружена в митохондриях, пероксисомах микросомальных и плазматических мембранах, а также в цитозоле и клеточной стенке. Неконтролируемое образование различных форм АК является причиной многих патологических состояний растительного организма, возникающих в результате изменений физиологических условий, а также действия экстремальных и абиогенных факторов. Вместе с тем образование АК является необходимым для некоторых реакций, протекающих в нормальных условиях (метаболизм чужеродных веществ, фитогормонов, синтез лигнина, старение), а также в защите растений от патогенных микроорганизмов электрона (рис. 1) и также в результате взаимодей- ситуациях окончательно доказана роль •ОН, возниствия (дисмутации) двух молекул O•- : кающего по реакциям Фентон или Хабера–Вейса.

Некоторые авторы в этой связи предполагают учас2O•- + 2Н+ Н2О2 + О2 (1) 2 тие комплексов металлов переменной валентности с кислородом.

При дальнейшем одноэлектронном восстановлении (рис. 1) возможно появление гидроксильного Образование O•- (и как следствие – других форм • радикала ОН, который является необыкновенно АК) происходит в различных структурах растительсильным окислителем. Его появление в биологичесной клетки (см. рис. 2). Это связано как с неферменких системах связывают с двумя основными реакцитативными (например, окислительно-восстановиями, протекающими при участии пероксида водоротельные реакции фенолов, хинонов, флавинов, да и восстановленных ионов металлов переменной автоокисление гем- и SH-содержащих соединевалентности (Men+), в частности меди и железа:

ний), так и с ферментативными процессами. Значительный вклад в образование АК вносит также H2O2 H2O2 + O•функционирование цепей переноса электронов в мембранных структурах клетки. В хлоропластах Men+ Men+ возникновение O•- происходит как в фотосистеме I Реакция Реакция (в основном при участии ферредоксина), так и в фоФентон Хабера–Вейса тосистеме II (в процессе фотоокисления воды).

• OH Кроме того, в этих структурах источником суперокПрирода агента, инициирующего окислительные сидного радикала в некоторых ситуациях может реакции, до сих пор остается неясной, и не во всех быть ключевой фермент фиксации углекислоты –, ‹9, рибулезодифосфаткарбоксилаза. В митохондриях вает повреждения и гибель клеток растения в рерастений образование супероксидного радикала зультате образования 1О2. После этого патоген спосвязано с окислительно-восстановительными пре- собен колонизировать растение. Интересно, что вращениями убихинона, а также с так называемым обработка церкоспорином растений имитирует цианид-резистентным дыханием (более подробно симптомы заболевания, вызываемого этими грибасм. [5]). В эндоплазматическом ретикулуме, в кото- ми. Эффективным генератором синглетного кислором происходит метаболизм чужеродных веществ рода является важнейший пигмент фотосинтеза – (ксенобиотиков), генерация O•- обусловлена цито- хлорофилл, и в клетках растений всегда имеется хромом Р-450, а также окислением НАДФН при опасность того, что этот пигмент проявит свое поучастии флавинсодержащего фермента (цитохром с вреждающее действие. Следует отметить, что вследредуктазы). В плазматических мембранах окисле- ствие выраженного токсического действия некотоние восстановленных пиридиннуклеотидов (НАДН) рые пигменты-фотосенсибилизаторы, так же как и также сопровождается генерацией этого радикала. агенты, продуцирующие кислородные радикалы, Недавно в пероксисомах растений был обнаружен находят в настоящее время применение в медицифермент ксантиноксидаза, которая в определенных не, включая терапевтическое воздействие на злокаусловиях способна продуцировать большие количе- чественные новообразования.





ства O•-. Возникновение свободных кислородных радикалов в растениях часто сопровождает окисле ние многих субстратов ферментом пероксидазой, локализованной в цитозоле и многих структурах Растительные организмы обладают достаточной клетки.

устойчивостью к окислительным повреждениям, и повреждения такого рода возникают, как правило, „ ‰ лишь при резком изменении физиологического состояния растения и/или воздействии различных Как отмечалось, среди форм АК важное место внешних факторов. Это обусловлено существовапринадлежит синглетному кислороду (1О2). Хотя нием в растительной клетке эффективных антиокэта частица может возникать в некоторых темновых сидативных систем, то есть систем, способных ферментативных процессах, основной путь его пообеспечить защиту как от кислородных радикалов, явления обусловлен световыми реакциями, которые так и от синглетного кислорода.

опосредованы пигментами-фотосенсибилизаторами (обозначены буквой Р на рис. 1). В биологичесОсновную роль в снижении уровня супероксидкой литературе токсичность пигментов, которая ного радикала играет фермент супероксиддисмутапроявляется на свету и в присутствии кислорода, за (СОД), которая катализирует реакцию дисмутаназывают фотодинамическим действием. Образо- ции O•- (уравнение (1)). Эта способность была вание синглетного кислорода происходит следую- выявлена в начале 70-х годов у многих уже известщим образом (см. рис. 2). Поглощая квант света ных к тому времени белков. В растениях присутст(h ), пигмент-фотосенсибилизатор переходит в син- вуют несколько СОД, содержащих в активных ценглетное (1P) и затем в триплетное (3P) возбужденные трах ионы Cu–Zn, Fe или Mn. В наиболее высокой состояния. Молекулы пигмента в обоих возбужден- концентрации этот фермент локализован в хлороных состояниях, сталкиваясь с О2, передают на него пластах. Наряду с этим в удалении O•- важную роль свою энергию, в результате чего и образуется хими- играют такие низкомолекулярные соединения, как чески очень активный синглетный молекулярный аскорбат и восстановленный глутатион, которые в кислород (1О2). Основное значение в его генерации высоких концентрациях присутствуют в хлоропласимеют триплеты пигментов, которые обладают зна- тах и других структурах клетки. Недавно было обначительно большим временем жизни. Кроме того, ружено, что аскорбат локализован не только внутвозможен и другой механизм фотодинамического ри, но и во внеклеточном пространстве (апопласте).

действия – образование свободных радикалов при Оказалось, что апопластный аскорбат защищает от диссоциации комплекса триплетной молекулы пиг- повреждающего действия озона и других загрязнимента, кислорода и субстрата.

телей атмосферы, которые проникают в ткань листа через устьица.

В растениях присутствуют несколько пигментов, которые способны выступать в качестве силь- В детоксикации пероксида водорода важную роль ных фотосенсибилизаторов. Примером этого явля- играют каталаза (в пероксисомах) и различные пеется гиперицин, который содержится в зверобое роксидазы, которые присутствуют во многих ком(Hypericum). Травоядные животные избегают это партментах растительной клетки. В строме хлоропларастение, поскольку после поедания листьев этот стов, где образуются значительные количества Н2О2, пигмент попадает в кровь и затем на свету вызывает в его элиминировании участвуют несколько сопряэритемы. Пигменты-фотосенсибилизаторы исполь- женных ферментативных систем (рис. 3). Согласно зуют не только растения. Так, церкоспорин, токсин этому механизму, пероксид водорода, образующийпатогенных грибов рода Cercospora, на свету вызы- ся при неферментативной или ферментативной.. лизирующих свойств и способны дезактивировать о многие формы АК (особенно 1О2). Это рассматри O2 e O2 H2O2 вается как естественный механизм защиты от фотодинамического повреждения, направленный на сохранение чувствительных внутриклеточных компонентов в период “демонтажа” фотосинтетичесАскорбат Дегидроаскорбат кого аппарата растений (см. также [9]).

В защите растений от окислительных повреждений участвуют также вещества, обладающие способностью нейтрализовать (перехватывать) свободные радикалы. Наиболее хорошо в этом отношении изучен локализующийся в мембранах -токоферол Восстановленный Окисленный глутатион глутатион (витамин Е), недостаточность которого у животных и человека приводит к целому ряду нарушений. Хотя токоферол обладает способностью взаимодействовать с O•- и 1О2, основная его роль как антиоксиданта - р e определяется способностью устранять свободные радикалы мембранных липидов.

Фотосистема I Кроме этого следует отметить так называемые Рис. 3. Дезактивация супероксидного радикала и вторичные антиоксиданты. Под этим подразумевапероксида водорода в хлоропластах.

Pages:     || 2 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.