Биологическое значение активных форм кислорода

При нормальных условиях жизни растения образование АФК и ПОЛ — обычные метаболические процессы. Патологические последствия возникают при чрезмерном накоплении АФК, пероксидов и их производных в результате стрессовых воздействий. Концентрация АФК в условиях стресса может возрастать в 3—10 раз.

Генерация АФК может быть необходима для формирования защитных реакций растений, например при инфекционных заболеваниях. АФК, локализованные на поверхности клетки (в плазматической мембране и клеточной стенке), участвуют в метаболизме фенольных соединений, в частности в синтезе лигнина, обеспечивающего механическую прочность клеточной стенки. Образующиеся в матриксе клеточной стенки кислородные радикалы способны атаковать и повреждать патогенную микрофлору. Создается внеклеточный защитный барьер, препятствующий проникновению патогенных микроорганизмов внутрь растительной клетки.

Образование АФК — наиболее ранний ответ растения-хозяина на инфекцию, который позволяет «узнать» патоген. Исследования взаимоотношений патогена с растением-хозяином выявили также сигнальную и регуляторную функции АФК, включающие другие, более поздние защитные реакции в клетках растения. В низких субтоксических концентрациях АФК и органические гидропероксиды индуцируют экспрессию генов и деление клеток. АФК могут служить вторичными посредниками в передаче сигнала от ЭТЦ митохондрий геному ядра. Так, повышение уровня АФК в митохондриях в присутствии ингибиторов цитохромного пути и салициловой кислоты, ингибирующей каталазу, индуцировало экспрессию гена AOX I, кодирующего синтез альтернативной оксидазы, а также синтез белков, определяющих устойчивость к патогенам.

Накопление в клетке вторичных посредников-циклонуклеотидов (цАМФ и цГМФ) стимулирует образование АФК. У животных цГМФ образуется в результате активации гидроксильного радикала цитоплазматической гуанилциклазой. АФК вызывает повышение концентрации Ca2+ в цитозоле и стимуляцию фосфорилирования белков в результате активации протеинкиназ (особенно протеинкиназы с), протеинтирозинкиназ и ингибирования протеинфосфатаз. Активно исследуется также вопрос о том, могут ли сами АФК непосредственно выполнять функцию вторичных посредников гормонов. В пользу этого свидетельствуют модификация эффектов гормонов под влиянием АФК и их снижение или блокада антиоксидантами.

Условия образования и роль АФК в растительных клетках. АФК образуются при нормальном метаболизме клетки. Cyпepоксидный радикал и синглетный кислород обычно продуцируются в освещенных хлоропластах путем сопутствующего переноса электронов от возбужденной молекулы хлорофилла или компонентов ФС I (при условии высоких отношений НАДФН/НАДФ) к молекулярному кислороду. Каротиноиды эффективно гасят возбужденное триплетное состояние хлорофилла и/или синглетного кислорода.

В генерировании АФК значительную роль играет озон, образующийся в результате фотодиссоциации молекулярного кислорода под влиянием солнечной энергии. При взаимодействии озона с O2 возникает сначала супероксид-анион, а затем пероксид водорода, синглетный кислород и гидроксильный радикал. Озон связывается с плазмалеммой клеток листьев, способствует нарушению регуляции устьичного аппарата, повреждению тилакоидных мембран, деградации (фотоингибированию) РБФ-карбоксилазы и торможению фотосинтеза в целом.

АФК участвуют в регуляции липидного состава и проницаемости мембран, устьичных движений, способствуют синтезу многих веществ, в частности, фитогормонов и физиологически активных соединений (этилена, салициловой кислоты, жасмоната и др.). Выявлено их значение для синтеза клеточной стенки и кросс-связывания, полимеризации лигнина и суберина. Механизм фотовосстановления протохлорофиллида также включает стадию образования свободных радикалов. Локальный окислительный взрыв, проявляющийся в накоплении H2O2, участвует в контроле проникновения образующих арбускулярную микоризу грибов в клетки корня.

АФК участвуют в поддержании окислительно-восстановительной среды клетки и тиолового статуса белков, тем самым регулируя многочисленные процессы. Предполагается, что они контролируют митоз, дифференцировку пластид, аппарата Гольджи и необходимы для нормального роста, развития и морфогенеза растений.

ПОЛ на определенном уровне совершенно необходимо для обновления фосфолипидов мембран, регуляции трансмембранного транспорта, синтеза различных веществ (спирты, кетоны, альдегиды, диальдегиды, эпоксиды, полимеры, фураны и др.). Дальнейшее окисление первичных продуктов перекисного окисления — гидропероксидов — может привести к образованию физиологически активных соединений, в частности, этилена, цитокининов, жасмоновой кислоты и др.

Вышесказанное свидетельствует о заметной роли АФК в нормальном метаболизме клеток. Однако действие разных стрессоров (УФ и другие формы радиации, гербициды, патогены, механические повреждения, аноксия, озон, температурный и другие стрессы) может приводить к избытку АФК, превышающему возможности системы гашения с помощью антиоксидантов, что обусловливает необходимость добавочной защиты. Например, закрывание устьиц в условиях засухи ограничивает доступность CO2 для фотосинтетической ассимиляции углерода. В этих условиях, как и на интенсивном солнечном свету, избыточное образование супероксида в хлоропластах может приводить к фотоингибированию и фотоокислению. Эти воздействия на растения имеют обратную связь с хлоропластом. Независимо от метаболического участка в растении, на который влияет какой-либо стрессор, всегда происходят фотосинтетическая активация кислорода и/или фотодинамические процессы, приводящие к образованию АФК.

Одной из главных мишеней действия АФК в стрессовых условиях является ДНК. При этом повреждаются азотистые основания и дезоксирибоза, появляются ковалентные сшивки и разрывы. Предполагается, что в разрушении молекулы участвует преимущественно гидроксильный радикал (супероксид и пероксиды практически не реагируют с ДНК). Окисление нуклеиновых кислот возможно не только путем прямого действия АФК, но и через активацию Са2+-зависимых эндонуклеаз.

Компартментация АФК. В хлоропласте супероксидный анионрадикал возникает непосредственно в ходе работы фотосинтетической ЭТЦ (реакция Мелера). Основным участком фотовосстановления O2 в хлоропластах является ФС1, а главным восстановителем считается ферредоксин (Fd) или ферредоксин-НАДФН-редуктаза. Установлено, что в ФС I образуется в основном O2', а в ФС II — O2' и H2O2.

В хлоропластах происходит также активное образование синглетного кислорода (1O2), возникающего за счет взаимодействия O2 с возбужденным хлорофиллом. 1O2 легче вступает в реакции с другими молекулами, чем кислород в обычном состоянии. По некоторым данным, 1O2 является основным инициатором ПОЛ в тилакоидных мембранах. Генерация АФК в хлоропластах происходит также в темновых реакциях при участии РБФК.

Митохондрии являются минорными участками активации кислорода и способны продуцировать супероксидный анион-радикал (O2) и пероксид водорода (H2O2) при окислении различных субстратов, причем большая часть H2O2 образуется в реакции дисмутации O2. Возникновение супероксида происходит в цепи дыхательных переносчиков, в основном за счет убихинона, флавинов и Fe-содержащих белков. В ходе окислительного фосфорилирования при нормальных условиях около 5% кислорода преобразуется в АФК, генерация которых существенно возрастает при снижении концентрации АДФ, поскольку из-за уменьшения потребления кислорода возрастает его концентрация и повышается степень восстановленности переносчиков в ЭТЦ.

Плазматические мембраны содержат НАД(Ф)Н-оксидазы, которые относительно специфичны к своим акцепторам электронов и переносят электроны с цитоплазматического НАД(Ф)Н на кислород апопласта. Супероксид и его производные наиболее интенсивно образуются в присутствии автоокислительных акцепторов, таких, как хиноны. В данном случае АФК могут функционировать в качестве клеточных мессенджеров.

Значительную роль в образовании АФК и активации процесса ПОЛ на плазмалемме играют липоксигеназы, которые катализируют образование гидроперекисей из ненасыщенных жирных кислот путем присоединения к ним молекулы O2. Указанные гидроперекиси могут легко распадаться с образованием свободных радикалов. В некоторых случаях возникновение RO2', O2' и других АФК обнаружено в самой липоксигеназной реакции. Все эти радикалы являются источниками окислительного повреждения мембраны.

Микросомы образованы из ЭПР и содержат две системы транспорта электронов. Одна из них — НАДФ-зависимая система — способна восстанавливать O2 по одно,- двух, - и трехэлектронному механизму. Возникновение супероксидного анион-радикала (O2) обусловлено цитохромом P450, цитохромом bs и НАД(Ф)Н-цитохром b5(с)-редуктазой.

Микротельца (пероксисомы и глиоксисомы), в отличие от митохондрий или хлоропластов, являются компартментами с одиночной мембраной, содержащей ксантиноксидазу, которая образует O2- и H2O2, а также гликолатоксидазу и b-оксидазу жирных кислот, продуцирующие H2O2. Регуляторную роль может играть ингибирование ксантиноксидазы некоторыми флавоноидами. В глиоксисомах функционирует оксидазная форма ксантиноксидазы. В пероксисомах образование АФК происходит в ходе b-окисления жирных кислот, энзиматических реакций флавиновых оксидаз и гликолатоксидазной реакции фотодыхания. В матриксе органелл находится ксантиноксидаза, в определенных условиях генерирующая большие количества супероксидного анион-радикала (O2').

В клеточной стенке в генерации АФК апопласта (O2' и H2O2) принимает участие пероксидаза клеточной стенки, продуцирующая O2 при расходовании НАДН в Мn2+-зависимой реакции. НАДФН-оксидаза отвечает за поставку H2O2 для пероксидаз в процессах лигнификации клеточной стенки. Кроме того, в клеточной стенке найдены аминооксидазы, продуцирующие H2O2.

Определенный вклад в генерацию АФК в клетке вносит ядерная мембрана, в которой супероксидный анион-радикал (O2') образуется за счет окисления НАДФН.

Образование АФК возможно в цитозоле при автоокислении и ферментативных реакциях с участием каталазы, пероксидазы и других ферментов.