Активные формы кислорода

Содержание:

    Введение……………………………………………………………………………………………….……2

Часть 1. АФК. Типы. Образование. Способы защиты………………...…..3

Часть 2. Роль АФК  в иммунитете растений………………………………………….…..10

Заключение………………………………………………………………………………….……………14

Список литературы……………………………………………………………………………………15 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    Введение 

    Большая часть живых организмов на Земле  не может обходиться без кислорода, который играет ключевую роль в энергетике, являясь окислителем питательных  веществ. Обычно молекулярный кислород находится в относительно инертном триплетном состоянии ³О_2, так как у парных электронов каждого атома кислорода спины параллельны. Активация кислорода происходит за счет изменения спина парных электронов [1, 2]. Молекулярный кислород не токсичен для клеток, однако опасность представляют продукты его неполного окисления – активные формы кислорода (АФК).

    Все живые организмы продуцируют  АФК в ходе своей обычной жизнедеятельности. Кроме того, что АФК являются вредными побочными продуктами, они играют важную роль в метаболизме живых  организмов. Патогенные бактерии и  грибы генерируют АФК для разрушения тканей организма-хозяина. Грибы, водоросли, водные организмы выделяют АФК в  окружающую среду для защиты от патогенов, сапрофитов. У высших растений и животных АФК является сигнальной молекулой, регулирует ионный транспорт. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1. АФК. Типы. Образование. Способы  защиты.

    АФК - это формы кислорода с чрезвычайно высокой реакционной способностью (благодаря наличию неспаренного электрона на внешнем электронном уровне), которые могут окислять практически все классы биологических молекул – белки, липиды мембран, молекулы ДНК.

К активным формам кислорода относят:

1. ¹О₂ – синглетный кислород _.  Может образовываться в ходе различных процессов. Поглощая квант света, пигмент переходит в возбужденное состояние: Р + СВЕТ = Р*. При столкновении с возбужденным пигментом кислород переходит в синглетное состояние : Р* + О2 = 1О2. При воздействии УФ-радиации. Продуцируется в ходе фотооксидативного стресса и при ранении. Обладает высокой реакционной способностью. Крайне не стабилен. Время жизни около 200 наносекунд(10^-6 сек). Вызывает апоптоз, опухоли.
2. О₂^-* - супероксид R. Способы образования: O2+e-=O2-*, в процессах фотосинтеза, ЭТЦ, мтх, O₃+O₂=2O₂+ O₂^-*, В H₂O растворах в присутствии ультразвука. Повреждает белки, SH-группы, ДНК
3. H₂O₂ – перекись. Пути образования: 2е^-+O₂=H₂O₂, 1е^-+ O₂^-* =H₂O₂. А так же при спонтанных превращениях O₂^-* и HO₂* : HO₂*+ HO₂*=H₂O₂ +O₂, HO₂*+ O₂^-*+H₂O= H₂O₂ +O₂+OH^- . Наиболее стабильна, наименее реакционноспособна.
4. OH* - гидроксильный R. Главный путь образования: O₂^-*+H⁺=HO₂*. Нейтральный, наименее реакционноспособный.
5. HO₂ – гидропероксильный R . Пути образованя: H₂O₂+Fe²⁺=Fe³⁺+OH^-+OH*(реакция Фентона), H₂O₂+ O₂^-*=O₂+ OH^-+OH*(реакция Хабера-Вейса). Сильный окислитель. Разрушает белки, липиды, ненасышенные двойные связи в мембранах, ДНК.
6. ROOH – гидропероксид. АФК вызывают образование органических гидропероксидов — ДНК, белков, липидов. ROOH  образуются и в реакции с обычным молекулярным  O₂ при участии ферментов диоксигеназ: .  ROOH по своей структуре подобны  H₂O₂ (R-O-O-H и H-O-O-H) и химически тоже активны, при последующем метаболизме они переходят в спирты, альдегиды и другие окисленные соединения. Образование  ROOH называют перекисным окислением (пероксидацией).

    Образование различных АФК происходит в результате получения энергии или в результате неполного восстановления молекулярного кислорода до воды.  Все активные формы кислорода легко переходят из одной в другие (рис. 1.) [3]. 

    Рис.1. Образование АФК. 

    Образование АФК в разных компартментах клетки 

    Образование АФК происходит во всех частях растительной клетки. Это связано как с неферментативными (например, окислительно-восстановительные реакции фенолов, хинонов, флавинов, автоокисление гем- и SH-содержащих соединений), так и с ферментативными процессами. Значительный вклад в образование АФК вносит также функционирование цепей переноса электронов в мембранных структурах клетки.

    В электрон-транспортной цепи хлоропластах постоянно образуются синглетный кислород, супероксид радикал и в дальнейшем перекись водорода, что неразрывно связано с процессами фотосинтеза, протекающими в тилакоидной мембране (фотолиз воды, активация хлорофилла, восстановление NADP) (рис. 2.) [3].

Рис.2. Электрон-транспортная цепь в тилакоидной мембране хлоропласта. 

    В митохондриях образование супероксид радикала, а затем и перекиси водорода сопряжено с функционированием  дыхательной электрон-транспортной цепи во внутренней митохондриальной мембране при восстановлении убихинона (рис.3) [3].

Рис.3.  Электрон-транспортная цепь во внутренней мембране митохондрий. 

    В глиоксисомах происходит распад запасных жиров и процесс β–окисления жирных кислот, необходимый для конверсии жиров и углеводов. Этот процесс также сопровождается образованием пероксида водорода [3].

    АФК вызывает в липидах (L), в основном в остатках полиненасыщенных жирных кислот, цепные реакции с накоплением липидных радикалов (L*), пероксилов (LOO*), гидропероксилов (LOOH ) и алкоксилов (LO*). Реакции перекисного окисления липидов (ПОЛ) являются свободнорадикальными и постоянно происходят в организме. Свободнора-дикальное окисление нарушает структуру многих молекул. В белках окисляются некоторые аминокислоты. В результате разрушается структура белков, между ними образуются ковалент-ные "сшивки", всё это активирует протеолитические ферменты в клетке, гидролизующие повреждённые белки. Активные формы кислорода легко нарушают и структуру ДНК. Неспецифическое связывание Fe2+ молекулой ДНК облегчает образование гидроксильных радикалов, которые разрушают структуру азотистых оснований. Но наиболее подвержены действию активных форм кислорода жирные кислоты, содержащие двойные связи, расположенные через СН2-группу. Это приводит к дестабилизации клеточных мембран (рис.4) [4].

    Рис.4.  Реакции перекисного окисления  липидов. 

    Системы защиты клеток от активных форм кислорода 

    В клетках осуществляются механизмы  нейтрализации АФК, связанные с  функционированием антиоксидантной  системы (АОС).

    Биохимическая АО система условно делится на специфическую и неспецифическую:

• специфическая АО система направлена на разрушение образующихся АФК и продуктов их дальнейших превращений;
• неспецифическая - предотвращает условия и возможности утечки электронов и генерации АФК в ходе окислительно-восстановительных реакций (в рамках окислительного фосфорилирования) или в процессе аутоокисления субстратов (микросомальное окисление) (рис.5).

    Специфическая АО система включает:

1. Специализированные ферментные системы;
2. Неферментные соединения.

1. К специфическим АО-энзимам можно отнести супероксиддисмутазу, каталазу, глутатионзависимые пероксидазы.

      Эта группа ферментов, локализующихся  преимущественно внутриклеточно, обладает способностью разрушать свободные радикалы, а также участвовать в разложении гидроперекисей нерадикальным путем. Энзимы антирадикальной защиты характеризуются высокой избирательностью действия, направленного против определенных радикалов, специфичностью клеточной и органной локализации, а также использованием в качестве стабилизаторов металлов переменной валентности – меди, цинка, марганца, железа.

    Супероксиддисмутаза (СОД) – ключевой фермент АО защиты; обеспечивает превращение супероксидного анион-радикала в менее активный окислитель – перекись водорода, которая элиминируется каталазой до двух молекул воды и молекулы кислорода: О₂^-*+О₂^-*+2H⁺=H₂O₂+O₂. СОД содержит ион меди, ион цинка, ион железа и имидазол гистидина.  Основным местом локализации фермента является цитозоль. СОД обладает высокой термоустойчивостью, устойчивостью к действию протеаз, денатурирующих агентов, широким оптимумом рН каталитической активности. СОД – водорастворимый фермент, поэтому супероксидный радикал, генерируемый в мембране и вызывающий процессы ПОЛ, оказывается для нее малодоступным.

    Каталаза  – обеспечивает расщепление перекиси водорода до 2-х молекул воды и  кислорода: 2H₂O₂=2H₂O+O₂; из-за большого молекулярного веса практически не проникает через клеточные мембраны, локализуется в пероксисомах.

    Глутатион пероксидаза - эффективно разлагает гидрофильные гидроперекиси липидов и перекись водорода; катализирует реакцию восстановленного глутатиона с гидроперекисями липидов, при этом последние превращаются в жирные оксикислоты; восстанавливает перекиси белкового и нуклеиновокислотного происхождения; восстанавливает гидрофобные гидропероксиды с большим объемом молекулы: гидроперекиси полиненасыщенных жирных кислот – линоленовой и арахидоновой, а также фосфолипидов; восстанавливает гидроперекиси мононуклеотидов и ДНК, участвуя в их репарации.: 2H₂O₂=2H₂O+O₂. В хлп, цитозоле, мтх.

Рис.5. Схема  основных составляющих специфической  антиоксидантной системы организма.

2. Неферментные соединения АО системы.

    Ингибирование АФК во внеклеточном секторе путем  прямого захвата и нейтрализации  радикалов выполняют неферментные низкомолекулярные жиро- и водорастворимые АО.

    Жирорастворимые соединения АО системы:

• вещества группы витамина Е;
• витамины А и К, стероидные гормоны, флавоноиды;
• полифенолы – убихинон, витамин Р.

    Локализованы в мембране, В митохондриях, ядре, эндоплазматическом ретикулуме и лизосомах. Защита БМ (липидную фазу), генома, взаимодействуют с большинством АФК.

      Водорастворимая система АО включает:

• глутатион (нейтрализация гидроксильного радикала OH* , защищающает ферменты от окисления);
• аскорбиновая кислота (снижает уровень супероксиданион-радикала, синглетного кислорода, гидроксильного и перекисного радикала, восстанавливает убихинон и вит Е);
• каротиноиды (Антенная защита, фотопротекторы, инактивируют гидроксильный радикал, супероксид-анион-радикал, синглетный кислород) [3, 4, 5, 6].

    Подводя итог негативного действия АФК, можно  сказать, что оксидативный стресс приводит к :

• повреждению наиболее важных полимеров - нуклеиновых кислот, белков и липидов;
• повреждению ДНК (окисление оснований, их модификации, разрывы цепей, повреждения хромосом);
• Апоптозу, блокируют межклеточную коммуникацию;
• Изменению аминокислотных остатков, нарушению третичной структуры белка;
• ПОЛ повреждает клеточные мембраны.

    На  протяжении длительного времени  в биологической литературе делали акцент на вредных эффектах АФК, но теперь известно, что образование  АФК приносит и пользу, напрямую участвуя в биохимический реакциях  клетки и метаболизме всего организма. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2. Роль  АФК в иммунитете растений

    Обнаружен целый ряд специальных ферментов, единственной функцией которых является генерация АФК. В эукариотических  клетках они включают:

• NADPH-оксидаза – NOX. Образует супероксидные анион-радикалы:            
• Миелопероксидаза – МПО. Катализует образование ионов гипохлорита (^-OCl) и хлорида (Cl^- ) и перекиси водорода (H₂O), взаимодействие между ними приводит к образованию синглетного кислорода, гидропероксильного радикала:

Cl^- + H₂O₂ à ^-OCl + H₂O

    Впервые эти ферменты были идентифицированы в фагоцитирующих лейкоцитах человека, нейтрофилах крови. Ферменты широко представлены практически во всех типах клеток высших животных.

    Все ферменты NOX являются трансмембранными белками, имеют NADPH-, FAD-связывающий сайт, 6 трансмембранных доменов, гемм, гетеродимерный цитохром b₅₅₈, состоящий из малой α-субъединица и большой β-субъединицы (рис.6).

Рис.6. Структура  NOX.

    NOX активируется Ca²⁺ - зависимыми белками – протеинкиназой С и фосфолипазой А.

    МПО фермент относится к семейству  гемовых пероксидаз. Состоит из двух легких (15 кДа) и двух тяжелых (60 кДа) цепей, каждая тяжелая цепь содержит одну Fe-Cl простетическую группу. Тоже активируется ионами Ca²⁺ [7].

    У бактерий, грибов и  растений были найдены  ферменты подобные NOX и МПО, со схожей структурой.

    Во  всех классах живых организмах АФК  несут адаптивную функцию. Рассмотрим некоторые классы живых организмов и отметим, какую роль играет АФК в их жизнедеятельности.

    Водоросли (Fucus, панцирножгутиковые,зеленые водоросли, красная водоросль Gracilaria) :

• Существуют гомологи NOX;
• АФК обеспечивает полярный рост (АФК активируют вход Са²⁺ в клетку и запускает Са²⁺ -сигналлинг);
• Гибель рыб – афк выступают как токсины, оказывают паралитическое действие на рыб;
• АФК активируют гена, ответственный за синтез каротиноидов;
• АФК регулируют липидный обмен ;
• АФК используется как химическая защита против патогенов и болезнетворных микроорганизмов.

Высшие  растения.  При физиологически нормальных условиях в растительной клетке поддерживается баланс между скоростью генерации АФК и их утилизации компонентами АОС. При действии абиотический и биотический стрессоров концентрация АФК в клетке возрастает, что приводит к необратимым повреждениям. Однако, в ходе эволюции растения выработали стратегию по использованию АФК для управлениями биохимическими реакциями вклетке:

• Участие в сигнальной системе общей защиты как вторичные мессенджеры;
• Существуют гомологи NOX, содержат FAD, NADPH-связывающие домены и Са²⁺-связывающие сайты;
• NOX активируется Са²⁺ , АБК;
• Увеличение проницаемости Ca²⁺,K⁺ каналов(Ca²⁺ входит в клетку, K⁺ выходит, что обуславливает передачу сигнала, удлинение клеток корня растяжением);
• Мутация гена NOX у Arabidopsis taliana приводит к образованию растений с короткими корневыми волосками, искривленными корнями;
• АФК контролирует апикальное доминирование, форму листовой пластинки;

Важную  роль в регуляции физиологичских процессов у растений играет перекись водорода:

• H₂O₂ участвует в закрытии устьиц, как сигнальная молекула в гравитропических изгибах корней, делении протопластов, росте клеток листа путем разделения молекул полисахаридов клеточной стенки;
• Н₂О₂, накапливающаяся при инвазии вирусов и бактерий, активирует транскрипционный фактор NF-kB, что приводит к индукции ряда цитокинов;
• Защита от патогенов;
• Участие в гормональной регуляции, в передачи ауксин-проволимого сигнала во время роста корней.

    Большое количество научных работ направленно  на изучение иммунной роли АФК, антиокислительной  и гормональной систем во взаимодействии фитопатогенн-хозяин.

    Формирование  совместимых/несовместимых взаимоотношений  между хозяевами и их патогенами, выявление путей формирования защитных реакций растений является одним из наиболее активно изучаемых направлений современной физиологии и биохимии растений.

      Эффективному управлению фитоиммунитетом способствует выяснение механизмов функционирования защитных растительных соединений при контакте с патогеном и расшифровка путей включения ответных реакций растений на появление сигнальных молекул [8].

    Усиленная активация АФК в ответна заражение  наблюдается у разных видов растений и при разных по природе инфекционных процессах ( грибных, вирусных, бактериальных) [8].

    Опыты с пшеницей, табаком, риса и фитопатогенными грибами демонстрирует возможность существования в растениях пути направленной генерации АФК, создающей локальную зону окислительного стресса и концентрирования синтеза лигнина в точках проникновения фитопатогенов, при этом повышение АФК приводило к синтезу гормонов, а именно салициловой кислоты, этилена (индуцируют синтез ферментов, участвующих в борьбе с патогенном), что повышало устойчивость растения к патогену.  Таким образом, можно сказать, что АФК играет прямую роль в фитоиммунитете растений, генерация АФК растением-хозяином служит одним из факторов болезнеустойчивости. Антиокислительные системы фитопатогенных грибов несут двойную нагрузку, защищая их клетки от АФК, образованных как растением-хозяином, так и самим грибам. Генерация Н₂О₂ в поверхностных клетках ризоидов каллусов пшеницы обеспечивает их устойчивость к инфицированию грибом, вызывая ряд защитных реакций, например легнификацию клеточных стенок [9, 10, 11].

    В настоящее время исследования выходят  на новый уровень – генетический. Открывают гены, ответственные за работу рецепторов, фитогормонов, ферментов, исследуют целые локусы устойчивости в геноме  растений. Это все  позволяет много подробнее изучит механизм протекания различных реакций  и определить молекулы каких веществ в них задействованы. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    Заключение

    Таким образом, АФК является не только вредоносным побочным продуктом аэробного метаболизма, источником необратимых процессов, приводящих к гибели клетки, если растение не имеет механизмов их утилизации, так же организмы различной степени организации научились использовать АФК в поддержании своего метаболизма, регулировать с их помощью внутренний гомеостаз. АФК является вторичным мессенджером при сигналлинге, вовлечена в ряд физиологических процессов: рост клеток, регяляция каналов активного транспорта. Так же АФК принимают участие в фитоиммунитете и помогают повышать устойчивость растения-хозяина к патогенному организму. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Список  литературы

1. http://fizrast.ru/osnovy-ustoychivosti/kislorod.html
2. Чиркова Т.В. Физиологические основы устойчивости растений. – СПб.: Изд-во С-Пб. ун-та, 2002. – 244 с.
3. Растение и стресс. Курс лекций. Екатеринбург 2008. – 267 с.
4. Биохимия: Учеб. для вузов, Под ред. Е.С. Северина., 2003. – 779 с.
5. http://www.mexifin.ru/obosnovanije_2.php
6. Система антиоксидантной защиты организма и старение. А.А. Подколзин, А.Г. Мегреладзе, В.И. Донцов, С.Д. Арутюнов, О.М. Мрикаева , Е.А. Жукова. // Профилактика старения. 2000. – 12 с.
7. Регуляторная роль активных форм кислорода: от бактерий до человека. Ю.А.Лабас, А.В.Гордеева, Ю.И.Дерябина, А.Н.Дерябин, Е.П.Исакова. // Успехи современной биологии. Том 130, №4, 2010. – стр. 323-334.
8. Активные формы кислорода и иммунитет растений. А.А.Аверьянов. // Успехи современной биологии. Том 3, №5, 1991. – стр. 722-737.
9. Оксидоредуктазы и фитогормоны в регуляции устойчивости пшеницы к фитопатогенным грибам. Максимов И.В. Автореферат. 2005. – 349 с.
10. Активные формы кислорода и антиокислительные системы во взаимодействии фитопатогенного гриба и высшего растения. Аверьянов А.А. Автореферат. 1995. – 36 с.
11. Перекись водорода как регулятор устойчивости растений и каллусов пшеницы к грибным патогенам. Трошина Н.Б. Автореферат. 2007. – 236 с.