Растительной клетки

КЛЕТКА И АКТИВНЫЕ ФОРМЫ КИСЛОРОДА

В предыдущем подразделе речь шла о том, что функции альтернативной оксидазы и механизма разобщения могут быть направлены на то, чтобы сни­зить интенсивность образования в дыхательной цепи супероксидрадикала О . В настоящем подразделе рассмотрены процесс генерации в клетке активных форм кислорода и роль, которую играют эти соединения в метаболизме растений.

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 О₂. Постоянное образование АФК в раститель­ной клетке является нормой и происходит главным образом в хлоропластах, митохондриях и пероксисомах. Наиболее значимые АФК — супероксидрадикал (О ), пероксид водорода Н₂О₂ и гидроксилрадикал ОН . Кроме того, к АФК можно отнести синглетный кислород О₂, возникающий при взаимодей­ствии О₂ с возбужденным светом хлорофиллом (см. подразд. 3.6.4):

О₂, → О₂ →О →Н₂О₂ → ОН

Первым продуктом восстановления кислорода является супероксидрадикал (О ), который образуется в результате захвата молекулой 0₂ одного электрона. Одноэлектронное восстановление происходит при взаимодействии 0₂ с вос­становленными компонентами электрон-транспортных цепей. У растений О образуется в норме в ЭТЦ дыхания и фотосинтеза. Донорами электрона могут быть восстановленные Fe-S-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 I, II и III. В нефотосинтезирующих клетках митохондрии являются основ­ными сайтами образования О При фотосинтезе приоритет в образовании О , возможно, принадлежит хлоропластам, 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 нуклеотидов) в реакции, катализируемой ксантиноксидазой.

Рис. 4.25. Образование О в мембранах пероксисом.

В мембранах пероксисом из эндосперма клещевины и листьев гороха функционируют короткие ЭТЦ, использующие кислород как акцептор электронов в НАД(Ф)Н-зависимой реакции. Эти цепи состоят из двух (или трех) интегральных белков с молекулярной массой 32, 18 и 29 кДа. Один из белков (32 кДа) представляет собой флавопротеид (ФП), а белок с молекулярной массой 18 кДа — цитохром b₅. Цепь устроена так, что генерация супероксидрадикала осуществ­ляется на цитозольной стороне мембраны

Супероксидрадикал имеет короткое время жизни (10^-6 с) и быстро нейтра­лизуется при участии супероксиддисмутазы (СОД) с образованием перекиси водорода:

О + О + 2Н⁺ = Н₂О₂ + О₂

Супероксиддисмутаза — 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: Мn-СОД (митохондрии, пероксисомы), Cu-Zn-СОД (цитозоль, хлоропласт, пероксисомы) и Fe-СОД (хлоропласт).

Перекись водорода образуется не только в результате нейтрализации О супероксиддисмутазой, но и в других реакциях, особенно интенсивно протека­ющих в пероксисомах. В зеленых тканях Н₂О₂ образуется в фотодыхательном цикле при участии гликолатоксидазы (см. гл. 3), а также при окислении амино­кислот, пуринов и других соединений в реакциях, катализируемых так назы­ваемыми флавиновыми оксидазами. Перекись является более стабильным про­дуктом, чем О , и может диффундировать в клетке на значительные расстоя­ния и даже пересекать мембраны через аквапорины.

Третий и самый опасный продукт неполного восстановления молекулы кис­лорода — гидроксилрадикал (ОН') — образуется в реакции Фентона при уча­стии ионов железа:

О + Fe³⁺ → Fe²⁺ + О₂,

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^-9 с), и он не может диффундировать на значительные расстояния от мест своего образования. Таким образом, реальными АФК в клетке являют­ся О и Н₂О₂, 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. подразд. 8.6). Так, АФК могут вступать в реакцию с полиненасыщенными жирнокислотными цепями в составе фосфолипидов, формирующих бислой мембраны, и тем самым спровоцировать процесс перекисного 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. 3.5.4).

Дата добавления: 2015-07-15