4.4. Метаболизм вторичных соединений

Продукты вторичного метаболизма (фенолов, этилена и др.) наиболее заметно изменяются под влиянием озона и часто связаны с симптомами видимого повреждения, особенно в растительных клетках

Фенолы. Озон способствуют освобождению и преобразованию уже имеющихся в клетке фенольных соединений, а также и стимулируют синтез соединений, являющихся производными фенолов. Как это отмечается для многих стрессовых условий, под действием О₃ происходит аккумуляция изофлавоноидов в растениях, причем их концентрация значительно возрастает при появлении симптомов видимого повреждения .

Озон стимулирует активность ферментов фенольного метаболизма, вследствие чего растет содержание фенолов. Например, отмечается повышение активности ферментов фенолаланинаммонийлиазы, полифенолоксидазы и пероксидазы. Эти ферменты активируются еще до появления видимых повреждений листьев. Более того, активность данных энзимов остается повышенной в течение нескольких дней и может стимулировать окисление фенолов до хинонов , а также вызвать аккумуляцию продуктов их полимеризации. Озон также вызывает аккумуляцию дегидрогеназы циннамового (коричного) спирта, что также наблюдается под действием элиситоров при инвазии паразитов. Во многих работах описано увеличение пероксидазной активности после воздействия О₃. Например, чувствительные к озону сорта растений аккумулируют больше фенолов, чем толерантные. При всех стрессах активируется синтез защитных антиоксидантов растений - флавоновых гликозидов ( главным образом, в клетках эпидермального слое листа) или фуранокумаринов (в листовых масляных секреторных клетках и ходах). Всего за 10 часов воздействия озоном 20 нл/л активируются оба (синтез флавонов и фуранокумаринов) пути метаболизма.

Участниками стрессового озонового метаболизма являются и такие фенольные соединения, как стилбены (рис.22). Озон в концентрации 0,15

Рис.22. Стилбены и флавоноиды, образующиеся при озоновом стрессе

мкл/л или до 0,2 мкл/л стимулирует в несколько сот или тысячу раз образование стилбенов (природных фенольных соединений С₆-С₂-С₆ ряда) пиносильвина и пиносильвин-3-метилового эфира, например, в первичной хвое 6-недельных проростках сосны Pinus sylvestris, что явилось следствием повышения активности пиносильвин-образующего фермента стилбенсинтетазы. В этих же условиях активность ферментов синтеза флавоноида фенилаланинаммоний лиазы и халконсинтетазы увеличивалась озоном в 2 раза. Озон индуцирует образование не только стилбенов, но и катехинов у хвойных растений. Учитывая специфичность индукции биосинтеза стильбенов и ее зависимость от концентрации О₃, предлагается использовать тест на содержание этих веществ в качестве биологического индикатора на озон.

Часто озон увеличивает пигментацию клеток, которая наблюдается у некоторых растений под влиянием озона, когда происходит индукция синтеза пигментов или блокада путей утилизации интермедиатов. Пигментированные участки могут содержать фенолы, например, антоцианы, или представлять собой полимеризованные продукты, образованные при окислении озоном (фенолы превращаются в хиноны, которые полимеризуются вместе с белками и аминокислотами). Наиболее заметными симптомами озонового повреждения являются антоциановые пятна на листьях и цветках растений. Отличающиеся от антоцианов пигментированные участки содержат полимеризованные аминокислоты, металлы, сахара, фенолы. Увеличение пигментации связано с усилением активности полифенолоксидазы и фенилаланинаммонийлиазы. Даже низкие концентрации озона могут оказывать влияние на окраску клеток, хотя при этом видимых повреждений еще не наблюдается.

Этилен. Озон активно влияет на синтез этилена, как показано на схеме:

Предшественником этилена является I-аминоциклопропан-I-карбоновая кислота (АЦК), образование которой из S-аденозилметионина, катализируется АЦК-синтазой (АЦК-синтетазой). Из этой кислоты при окислении АЦК-оксидазой возникает этилен. Повреждение растений озоном приводит к индукции АЦК-синтазы и усилению синтеза этилена. Стимуляция выделения этилена наблюдается при нахождении растений в течение 2-х часов в воздухе, содержащем всего 2510^-6% озона. Образованию стрессового этилена предшествуют реакции, показанные на Рис. 23.

ОЗОН (стрессор)  Активация фосфорилазы  Освобождение полиеновых жирных кислот  Образование гидропероксипроизводных жирных кислот, сопряженное с появлением супероксид анионрадикала ( )  Образование радикала I-аминоциклопропан-I-карбоксиловой кислоты  Этилен

Рис. 23. Схема образования этилена при озоновом стрессе [Vick, Zimmerman, 1987]

Выделение стрессового этилена связывают со свободно радикальными процессами перекисного окисления липидов, повреждающими мембраны. Первичной мишенью озона как стрессора является активация фосфорилазы, затем из мембран освобождаются ненасыщенные жирные кислоты, и идет процесс перекисного окисления липидов с образованием супероксид анионрадикала. Этот радикал взаимодействует непосредственно с I-аминоциклопропан-I-карбоновой кислотой, в свою очередь, образуя новые свободные радикалы. Стимуляция выделения этилена озоном зависит от вида растения и может отличаться в 1,5-4 раза по сравнению с контролем. Скорость образования этилена зависит от концентрации и продолжительности действия озона. Есть прямая корреляция между образованием стрессового этилена и чувствительностью растения. Устойчивые к озону сорта имеют меньше видимых повреждений после экспозиции в озоне, чем чувствительные сорта благодаря меньшему образованию стрессового этилена.

Полиамины. Одним из симптомов озонового стресса является накопление полиаминов - путресцина, спермидина и спермина. Исходным соединением для их синтеза служит

Путресцин NH₂ –(CH₂)₄ – NH₂

Спермидин NH₂ –(CH₂)₄ –NH – (CH₂)₃ – NH₂

Спермин NH₂ – (CH₂)₃ – NH – (CH₂)₄ - NH –(CH₂)₃ –NH₂

аминокислота аргинин, из которой под действием фермента аргиназы образуются мочевина и орнитин. Путресцин (тетраметилендиамин) образуется при ферментативном декарбоксилировании аминокислоты орнитина. Спермидин [N-(3-аминопропил)-тетраметилендиамин] или спермин [N,N’-бис(3-аминопропил)-тетраметилендиамин] образуются в реакции путресцина и метионина. Индукция образования путресциновых и спермидиновых конъюгатов происходит под влиянием повреждающих доз озона. При этом в стрессовых ситуациях, вызванных озоном, наибольшая роль принадлежит путресцину и менее значительная спермидину. Исследования выявили 2 типа индукции полиаминов в этих растениях. В озончувствительном сорте табака при действии озона увеличивалась активность аргининдекарбоксилазы и очень быстро аккумулировался путресцин, максимум которых достигался соответственно через 8 и 12 часов. Полиамины, образующиеся при действии озона, защищают растения от повреждения, путем уменьшения образования этилена, который появляется при действии О₃ (см. предыдущий раздел). Кроме того, полиамины являются эффективными ловушками для оксирадикалов, возникающих при действии озона.

Различия основного и вторичного обмена под действием озона состоят в большей специфичности продуктов вторичного метаболизма к озону. Хотя нужно отметить, что образование стрессового этилена и полиаминов отмечается при многих видах стресса. Изменения же основного метаболизма включают 1.усиленный синтез определенных белков – ферментов (глюканаз, хитиназ, пероксидаз) и повышение активности антиоксидантных ферментов супероксиддисмутазы, пероксидазы, каталазы, глютатион редуктазы. 2. повышение концентрации растворимых сахаров, 3.изменение состава липидов и их перекисное окисление с образованием малонового диальдегида, а позднее – пигмента старения липофусцина. Они тоже могут использоваться , как биохимические индикаторы озонового повреждения. Однако наиболее специфическими биохимическими реакциями на озон можно считать образование фенольных соединений, главным образом стилбенов и антоцианов.