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 хлоропластах нейтрализация ¹О₂ связана с эффективной защитой каротиноидных пигментов (см. гл. 3 «Фо­тосинтез»). В митохондриях действие альтернативной оксидазы и механизма разобщения с помощью UCP-белков снижает вероятность генерации в дыха­тельной цепи супероксидрадикала (см. подразд. 4.2.8 и 4.2.10). Вторую линию защиты в клетках аэробных организмов создают эффективно действующие соединения и ферменты-антиоксиданты, работающие на ликвидацию АФК и репарацию возможных повреждений. Важнейшими антиоксидантами являют­ся аскорбиновая кислота (витамин С), глутатион, α-токоферол

(витамин Е) (рис. 4.26).

Рис. 4.26. Молекулы-антиоксиданты. При окислении 2 молекулы восстановленного глутатиона Г—SH образуют дисульфидную связь:

2Г—SH Г—S—S—Г. При окислении аскорбиновой кислоты до дегидроаскорбиновой кисло-

ты (АК ДГА) в качестве промежуточного продукта может быть образован монодегидроаскорбат

(АК МДГА)

Последний локализован в мембранах и способен неферментативно взаимодействовать с АФК, предотвращая процесс перекисного окисления липидов (рис. 4.27).

Рис. 4.27. Защитное действие α-токоферола в мембране.

АФК атакуют липиды мембран, провоцируя цепные реакции перекисного окисления. При этом образуются свободнорадикальные продукты, которые могут быть нейтрализованы α-токоферолом, который отдает атом водорода. Тушение свободного радикала α-токоферола связано с окис­лением пула аскорбата. АК — аскорбат; МДГА — монодегидроаскорбат; МДГАР — монодегидроаскорбатредуктаза

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 SH-группу. При окислении две молекулы глутатиона образуют дисульфидную связь: 2Г—SH = Г—S—S—Г + 2Н . Аскорбиновая кислота и глутатион активно участвуют в защитных ферментативных реакциях.

Содержание О и Н₂О₂ в клетке контролируется ферментами — антиокси­дантами: супероксиддисмутазой, каталазой, гваяколовой пероксидазой, аскорбатпероксидазой, глутатионпероксидазой, а также ферментами аскорбат-глутатионового цикла. Каталаза — это гемсодержащий фермент, локализованный в пероксисомах и, по некоторым данным, в митохондриях, эффективно раз­лагает перекись в реакции:

2Н₂О₂ →2Н₂О + О₂

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:

АН₂ + Н₂О₂ → А + 2Н₂О,

где АН₂ — 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 аскорбат-глутатионовом цикле, целью которого является ликвидация перекиси. Цикл включает взаимосвязанные окислительно-восстановительные реакции с уча­стием аскорбата, глутатиона и НАДФН (рис. 4.28).

Рис. 4.28. Образование и нейтрализация супероксидрадикала.

Супероксидрадикал образуется при функционировании ЭТЦ в мембранах хлоропластов и митохондрий и быстро превращается в перекись при участии супероксиддисмутазы. Нейтрализа­ция перекиси может быть связана с функционированием аскорбат-глутатионового цикла в строме хлоропластов, цитозоле и, возможно, в матриксе митохондрий. СОД — супероксиддисмутаза; АПер — аскорбатпероксидаза; АК — аскорбат; МДГА — монодегидроаскорбат; МДГАР — монодегидроаскорбатредуктаза; ДГА — дегидроаскорбат; ДГАР — дегидроаскорбатредуктаза; Г—SS—Г — глутатион окисленный; Г—SH — глутатион восстановленный; ГР — глутатионредуктаза

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 изоцитратдегид-рогеназы. Аскорбат-глутатионовый 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. При серьезной разбалансировке этих процессов уровень АФК будет расти, что может привести к окислительному стрессу и повреждению клеточного содержимого. Именно это и происходит в неблагоприятных условиях, при действии на организм стрес­сов разной природы.

Подобно тому, как многие болезни человека сопровождаются 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.

К настоящему моменту получены трансгенные растения с оверэкспрессией ряда ферментов-антиоксидантов, локализованных в тех или иных клеточных компартментах. Растения табака (Nicotiana tabacum) с оверэкспрессией Cu-Zn-СОД или глутатионредуктазы в цитозоле проявляли большую устойчивость к высоким концентрациям озона; растения риса (Oryza sativa) 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.

Дата добавления: 2015-07-15