8.6. Окислительный стресс

Окислительный стресс в растениях возникает в условиях, способствующих формированию активных форм кислорода (АФК). Напомним, что к АФК от­носят анион-радикал О , пероксид водорода Н₂О₂, гидроперекисный радикал НО , гидроксил-радикал НО , а также синглетный кислород О₂ и озон О₃. Высокое содержание АФК в клетках приводит к повреждению биомолекул и может вызвать гибель растений. Процессы, приводящие к образованию АФК, роль АФК в растениях и антиоксидантные системы, снижающие их концентра­ции в клетках до нетоксического уровня, уже рассматривались в гл. 3 и 4 в связи с функционированием электрон-транспортных цепей в различных клеточных органеллах и защитой клеток от избыточного освещения, приводящего к фотоингибированию фотосинтеза. В связи с этим в этом разделе мы остановимся в основном на АФК-индуцируемых повреждениях биомолекул, на процессах детоксикации вторичных продуктов взаимодействия АФК с биомолекулами, а также на эффектах озона, которые не рассматривались в других разделах.

Окислительный стресс в растениях возникает в результате действия прак­тически всех неблагоприятных факторов внешней среды, включая засуху, по­чвенное засоление, загрязнение воздуха токсическими соединениями, таки­ми, например, как озон, оксиды серы и азота, тяжелые металлы, низкие и высокие температуры, свет высокой интенсивности, ультрафиолетовое излу­чение, недостаток элементов минерального питания, некоторые гербициды, в частности паракват (метил-виологен), патогены различной природы и др. Можно сказать, что окислительный стресс входит как компонент в большинство других стрессов. Такая универсальность в индукции окислительного стресса при дей­ствии на растения самых разнообразных неблагоприятных факторов внешней среды указывает на принципиально важную роль антиоксидантных систем, снижающих внутриклеточные концентрации АФК, а также систем, ликвидиру­ющих токсические продукты взаимодействия АФК с биополимерами и повы­шающих устойчивость растений к неблагоприятным факторам среды вообще.

8.6.1. Повреждения биомолекул активными формами кислорода

В норме концентрации АФК в клетках не высоки: концентрация О состав­ляет порядка 10 М, Н₂О₂ — 10 М, НО — меньше 10 М. Возрастание внутриклеточных концентраций АФК при стрессах, и особенно НО , ведет к повреждениям молекул липидов, нуклеиновых кислот и белков. Взаимодей­ствуя с ними, АФК вызывают образование органических гидропероксидов типа ROOH. Изменения макромолекул под действием АФК называются окислитель­ными модификациями (ОМ) макромолекул. Органические гидропероксиды ROOH по своей структуре подобны Н₂О₂

(ср.: R—О—О—Н и Н—О—О—Н) и харак­теризуются высокой реакционной способностью. При последующих превраще­ниях они переходят в спирты, альдегиды, эпоксиды и другие окисленные орга­нические соединения. Образование ROOH называют перекисным окислением.

Ниже рассматривается действие АФК на молекулы трех классов наиболее важных биомолекул.

8.6.1.1. Повреждения липидов

АФК приводят к перекисному окислению липидов (ПОЛ), вызывая в остатках полиненасыщенных жирных кислот (ПНЖК) цепные реакции с образовани­ем липидных радикалов L , пероксилов LOO , гидропероксидов LOOH и алкоксилов LO :

Первые три превращения (верхняя строка) представляют собой начало и ход цепной реакции. В ходе третьего превращения наряду с липидным радика­лом L образуется гидропероксид LOOH. Последний, взаимодействуя с иона­ми металлов переменной валентности, находящихся в восстановленной фор­ме, например с Fe²⁺ или Сu⁺, создают разветвления цепи (нижняя строка). Накапливающиеся в результате цепной реакции гидропероксиды жирных кис­лот, входящих в состав липидов, подвергаются распаду по следующей схеме:

Продукты расщепления, несущие двойную связь, под действием радикалов подвергаются дальнейшему перекисному окислению и распаду. В результате ЖК образуют целый спектр соединений. Многие из них представляют собой альдегиды, которые обладают высокой биологической активностью и часто высокотоксичны. При распаде жирных кислот, сопровождающем ПОЛ, снача­ла образуются диеновые конъюгаты, а затем такие метаболиты, как малоно­вый диальдегид . Продуктами ПОЛ могут быть и более про­стые соединения, например такие, как пентан и этан. ПОЛ прежде всего по­вреждает клеточные мембраны, что в свою очередь приводит к нарушениям функций мембранных белков и нарушению внутриклеточной компартментации веществ. Продукты ОМ липидов

(4-гидроксиалкенали, соединения типа С₅Н₉—СНОН—СН=СН—СНО и малоновый диальдегид) вызывают мутации и блокируют клеточное деление.

Прежде ПОЛ считали исключительно спонтанным процессом, протекаю­щим без участия ферментов. Затем было показано, что важную роль в ПОЛ играют и ферментативные реакции, в частности реакции, катализируемые липоксигеназами. Окисление липидов с помощью этих ферментов приводит к образованию специфических веществ — эйкозаноидов, выполняющих функ­цию сигнальных молекул при экспрессии генов.