54

Глава 3. Защитные клеточные реакции от озоНа и других активных форм кислорода

Каждая клетка нуждается в защите от окислительного стресса, вызываемого озоном и кислородными радикалами , Н и пероксидами, которые образуются при озонировании живых клеток. В ответ на окисление озоном клетки мобилизуют защитные антиоксидантные системы, к которым относятся две группы веществ - высокомолекулярные антиокислительные ферменты и антиоксиданты, представленные низкомолекулярными соединениями. Антиоксидантные ферменты: супероксиддисмутаза, каталаза, пероксидаза. Низкомолекулярные соединения: аскорбиновая кислота, токоферол, тиоловые (SН) соединения и другие вещества, взаимодействующие с радикалами и образующие малоактивные продукты.

3.1. Антиоксидантные ферменты

Супероксиддисмутазы (СОД). Супероксиддисмутазы рассматриваются как защитный механизм от супероксидиона или радикала. В клетках найдены 3 типа супероксиддисмутаз, отличающихся строением активного центра: супероксиддисмутаза, имеющая в активном центре медь и цинк (СОД-CuZn), марганецсодержащая форма (СОД-Mn) и железосодержащая форма (СОД-Fe). СОД-CuZn чувствительна к цианиду и содержится в ядрах, цитоплазматическом матриксе, пероксисомах и межклеточном пространстве. Напротив, СОД-Mn цианорезистентна, локализована в митохондриях эукариот, а также обнаруживается у бактерий. Формы СОД-Fe устойчивы к цианиду и присутствуют у бактерий, простейших и растений.

Все супероксиддисмутазы катализируют реакцию дисмутации примерно с одинаковыми скоростями. При этом образуются перекись водорода и кислород.

H₂O₂, образуемая в этой реакции, сама по себе сильный оксидант, количество которого снижается благодаря участию антиокислительного фермента каталазы с образованием воды и кислорода.

_{каталаза}

2Н₂О₂  2H₂O + O₂

Роль супероксиддисмутаз и каталаз направлена на подавление образования Н или снижение его концентрации. Уровень внутриклеточных супероксиддисмутаз находится под генетическим контролем. Повышение концентрации супероксиданион радикала или перекиси водорода сопровождается активацией транскрипции генов, запускается синтез супероксиддисмутазы и каталазы. В последние годы для изучения устойчивости к озону используют трансгенные растения с усиленным образованием супероксиддисмутазы.

Глутатион-SH-редуктаза и глутатион. Глутатион и глутатион-SH-редуктаза – важнейшие антиоксиданты, постоянно находятся в клетках и их количество увеличивается при озоновом стрессе. Антиоксидантнтые свойства глутатиона обусловлены наличием SH-группы, которая присоединяет озон или другие активные формы кислорода, а обратный процесс восстановления глутатиона осуществляет глутатион-SH-редуктаза:

Глютатион –SH + O₃  Глютатион –SO или S-OO + H₂O (H₂O₂)

Глутатион –SO + НАДH   Глютатион –SH

Глютатион-SH-редуктаза

Озон вызывает накопление окисленного глутатиона , который благодаря глютатион-SH-редуктазе может вновь восстанавливаться.

Каталаза. Перекись водорода токсична для живой клетки и поэтому должна быть удалена. Фермент каталаза, расщепляющий эту перекись, обнаружен во всех тканях растений и животных. Каталаза выполняет защитную функцию, препятствуя накоплению перекиси водорода, способной повреждать различные компоненты клеток. Фермент катализирует реакцию:

H₂O₂+ H₂O₂  2 H₂O + O₂

и может также неспецифически реагировать с липидными гидроперекисями. По структуре и функциям каталаза родственна пероксидазам. Она так же принадлежит к числу гемопротеиновых ферментов. Каталаза располагается в самых разных компартментах клетки, особенно много в органеллах, связанных с энергетическими реакциями, где образуются активные формы кислорода. В растениях каталаза находится в пероксисомах - органеллах, ограниченных элементарной бислойной мембраной, и глиоксисомах (Глиоксисомы представляют собой форму пероксисом, которая содержит ферменты метаболизма запасов липидов).

Генерация перекиси водорода осуществляется, главным образом, в ядерной и плазматической мембранах, мембранах митохондрий всех типов организмов, клеточных стенках растений, хлоропластов, микросом и пероксисом. Лишь незначительная часть перекиси водорода образуется в цитозоле. Если перекись образуется вне пероксисомы, она диффундирует в пероксисомы, где и утилизируется.

Пероксидаза. Пероксидаза широко распространена в живой природе, и лишь немногие ферменты изучены столь же подробно и разносторонне. Во всех тканях всегда присутствуют кислые (рН 3,5 -5,0) и щелочные (рН 7,5 -9,5) изоформы пероксидаз. Кислые изоформы имеют более высокую удельную активность. Количественное содержание пероксидаз зависит от вида, природы ткани, а также воздействия внешних факторов.

Все изоферменты указанного фермента содержат протогемин в качестве простетической группы и, по-видимому, обладают почти одинаковой каталитической активностью, но несколько отличаются друг от друга по физико-химическим свойствам. Многие реакции, катализируемые пероксидазой, сопровождаются образованием интенсивно окрашенных соединений. Одним из типов пероксидаз служит аскорбатпероксидаза. Окисление субстратов (АН₂) в этом случае происходит за счет атомарного кислорода перекиси водорода.

АН₂ + Н₂О₂  А + 2 Н₂О

Пероксидазная активность обнаруживается в клеточной стенке, цитоплазме, вакуоли, главным образом в тонопласте. Определенная часть пероксидаз (аскорбатпероксидаза) есть в хлоропластах, но ее концентрация там незначительна.

Инактивацию и разрушение органических перекисей осуществляет и фермент глютатионпероксидаза, которая катализирует реакцию окисления глутатиона (GSH) перекисью водорода.

H₂O₂ + 2 GSH2 H₂O + G-S-S-G

или 2ROOH + 2 GSH  ROH + H₂O + G-S-S-G

Окисляющийся при этом глютатион вновь восстанавливается в результате сопряженной функции другого фермента - глютатионредуктазы. В отличие от большинства пероксидаз этот фермент не является гемпротеидом, но содержит один атом селена, связанный с пептидной цепью с молекулярной массой приблизительно 22 000 D . Глютатионпероксидаза у многих организмов является главным средством защиты от накопления в клетках H₂O₂ и органических перекисей.

Другие антиоксидантные белки. К высокомолекулярным антиоксидантам относятся не только ферменты антиоксидазной защиты, но также любые белки, способные связывать Fe и Cu - катализаторы свободно радикальных процессов. Особенностью таких белков является то, что они слабо проникают через мембраны и тканевые барьеры.