Розділ 1 Огляд літератури

1.1. Активовані форми кисню в біологічних системах

Невід’ємною частиною аеробного метаболізму рослин є утворення активованих форм кисню (АФК), таких як супероксидний аніон радикал (O₂^•−), пероксид водню (Н₂О₂), гідроксильний радикал (HO^•) та синглетний кисень (¹O₂) [Igamberdiev et al., 1999].

Відповідь рослин та її складових на дію АФК залежить від концентрації, місця їх вивільнення та взаємодії з іншими молекулами. На це також впливає стадія розвитку та минулий «досвід» рослинних клітин (тобто, кількість попередніх стресів) [Gechev et al., 2006]. У цьому розділі ми розглянемо типи АФК та механізми регуляції їх утворення та розпаду.

1.1.1. Шляхи утворення афк

У зелених частинах рослин на світлі головним джерелом утворення АФК є хлоропласти та пероксисоми (через фотореспірацію) [Foyer and Noctor, 2003]. В незелених частинах рослин або в темноті, головним джерелом АФК є мітохондрії [Maxwell et al., 1999; Møller, 2001]. В хлоропластах продукується синглетний кисень (¹O₂) як побічний продукт функціонування фотосистеми І (ФС І) [Asada, 2006] та ФС ІІ [Pospisil et al., 2004]. В мітохондріях утворюється O₂^•− на рівні комплексів І та ІІІ. Було показано, що ізольовані мітохондрії можуть відновлювати молекулярний кисень з утворенням АФК [Møller, 2001]. Пероксисоми продукують O₂^•− та H₂O₂ у кількох метаболічних шляхах, таких, як фотореспірація, окислення β-жирних кислот, ферментативні реакції флавін оксидаз та інші [Baker and Graham, 2002; del Rio et al., 2006, Foyer and Noctor, 2003]. O₂^•− може перетворюватись у H₂O₂ за участю супероксиддисмутази. В свою чергу H₂O₂ може розкладатись до HO^• через реакцію Фентона, яка каталізується вільними іонами металів з перехідною валентністю (рівняння 1.1) [Rae et al., 1999]:

Н₂О₂ + Fe²⁺ → Fe³⁺ + ОН^- + ОН^* (1.1)

Оскільки метали з перехідною валентністю діють як каталізатори цих реакцій, їх місцезнаходження і доступність можуть бути головними факторами, що визначають місце утворення ОН^* у клітині.

Різні АФК мають різні властивості (таблиця 1.1).

Таблиця 1.1

Основні активовані форми кисню та їхні властивості [Møller, 2007]

	1O2	O2•−	H2O2	HO•
Період піврозпаду	1 мкс	1 мкс	1 мс	1 нс
Відстань, яку встигає подолати	30 нм	30 нм	1 мкм	1 мкм
Взаємодія з:
Ліпідами	ненасичені жирні кислоти	важко	важко	швидко
ДНК	в основному з гуаніном	ні	ні	швидко
Вуглеводами	ні	ні	ні	швидко
Білками	Три, Гіс, Тир, Мет, Цис	Fe-S центрами білків	Цистеїн	швидко

Як видно з таблиці 1.1, пероксид водню є досить стабільний, порівняно з іншими АФК. Його концентрація в рослинних тканинах 10^-3-10^-6 моль і залежить від компартменту [Cheeseman, 2006; Halliwell and Gutteridge, 1999; Puntarulo et al., 1988]. Інші АФК мають дуже короткий період піврозпаду і наявні в клітинах в дуже низьких концентраціях. Вони також мають різні реакційні властивості:

1. HO^• швидко реагує з усіма типами клітинних компонентів;

2. O₂^•− головним чином взаємодіє з Fe-S центрами білків;

3. ¹O₂ переважно зв’язується з кон’югованими подвійними зв’язками ненасичених жирних кислот (НЖК).

З таблиці 1.1 також видно, що АФК існують різну кількість часу в клітинах у вільній формі та взаємодіють з ліпідами, ДНК, вуглеводами та білками.

Стабільність пероксиду водню, а також його здатність проникати через мембранни, зокрема, за участю аквапоринів [Bienert et al., 2006, Bienert et al., 2007], робить його сигнальною молекулою за малих концентрацій. АФК можуть діяти як сигнальні молекули через окислення певних клітинних компонентів. Використання АФК в якості сигнальних молекул залежить від відстані, яку встигає подолати молекула до того як вступити в реакцію з клітинними компонентами.

Підвищення стаціонарного рівня H₂O₂ негативно впливає на рослинний організм [Cheeseman, 2006; Halliwell and Gutteringe, 1999; Puntarulo et al., 1988], оскільки може призводити до утворення більш реакційноздатних АФК, зокрема, гідроксильного радикалу та супероксид аніон-радикалу. Оскільки формування реакційноздатного гідроксильного радикалу (HO^•) відбувається в реакції Фентона за участю іонів перехідних металів, в даному випадку важливе значення відіграють металочаперони, які зв’язують ці йони [Finney and O’Halloran, 2003; Rae et al., 1999].