Природные антиоксиданты (экологический аспект). Монография
.pdfБАЛТИЙСКИЙФЕДЕРАЛЬНЫЙУНИВЕРСИТЕТим. ИММАНУИЛАКАНТА
Г. Н. Чупахина, П. В. Масленников, Л. Н. Скрыпник
ПРИРОДНЫЕ АНТИОКСИДАНТЫ
(ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ АСПЕКТ)
Издательство Балтийскогофедеральногоуниверситетаим. ИммануилаКанта
2011
1
УДК 581.1 + 581.19 ББК 28.57
Ч920
Рецензенты
В. К. Гинс — зав. лабораторией биохимии и биотехнологии функциональных продуктов ВНИИССОК,
академик АНИРР, заслуженный деятель науки РФ, лауреат Государственной премии РФ в области науки и техники,
д-р биол. наук, профессор; П. В. Кононков — зав. лабораторией интродукции и семеноведения
ВНИИССОК, президент АНИРР, заслуженный деятель науки РФ, лауреат Государственной премии РФ в области науки и техники, д-р сельхоз. наук, профессор
Чупахина Г.Н., Масленников П.В., Скрыпник Л.Н.
Ч920 Природные антиоксиданты (экологический аспект): монография. — Калининград: Изд-во БФУ им. И. Канта, 2011. — 111 с.
ISBN 978-5-9971-0156-5
В монографии изложены современные представления о свободных радикалах, свободнорадикальном окислении клеточных компонентов, об антиоксидантах. Подробно рассмотрено действие экологических факторов на антиоксидантные ферменты: супероксиддисмутазу, глютатионпероксидазу, каталазу, дегидроаскорбатредуктазу, аскорбатпероксидазу и антиоксидантные пигменты — антоцианы.
Предназначена для физиологов растений, биохимиков, экологов, специалистов пищевой промышленности и сельского хозяйства, аспирантов, магистрантов и студентов.
|
УДК 581.1 + 581.19 |
|
ББК 28.57 |
|
© Чупахина Г. Н., Масленников П. В., |
ISBN 978-5-9971-0156-5 |
Скрыпник Л. Н., 2011 |
© БФУ им. И. Канта, 2011 |
2
ОГЛАВЛЕНИЕ |
|
Введение .............................................................................. |
4 |
Список сокращений .......................................................... |
6 |
Глава1. Свободныерадикалыиокислительныйстресс |
7 |
Библиографический список ............................................ |
14 |
Глава 2. Ферментативная антиоксидантная система |
|
растений .............................................................................. |
16 |
2.1. Супероксиддисмутаза .............................................. |
16 |
2.2. Каталаза ..................................................................... |
26 |
2.3. Глютатионпероксидаза ............................................ |
35 |
2.4. Ферменты аскорбат-глютатионового цикла .......... |
40 |
2.5. Глютатионредуктаза ................................................. |
48 |
Библиографический список ............................................ |
52 |
Глава 3. Антоцианы — природные антиоксиданты |
|
растений .............................................................................. |
60 |
3.1. Биосинтез антоцианов .............................................. |
69 |
3.2. Физиологическая роль антоцианов ......................... |
73 |
3.3. Влияние экологических факторов на образование |
|
антоцианов ................................................................ |
83 |
Библиографический список ............................................ |
102 |
Заключение ......................................................................... |
111 |
|
3 |
ВВЕДЕНИЕ
В современном обществе вся разумная человеческая деятельность должна быть направлена на решение глобальных проблем: сохранение, продление и улучшение качества человеческой жизни. К сожалению, цивилизация, решая их, одновременно меняет среду, сформировавшую человека, заставляя его приспосабливаться к новым условиям. Человеческий организм имеет определенный ресурс адаптационных возможностей, но он не безграничен и требует поддержки извне. Эффективность такой помощи будет тем выше, чем лучше мы будем знать влияние действующих факторов и механизмы ответных реакции организма человека.
Негативная окружающая среда, вызывающая стрессы, может стимулировать накопление в организме человека свободных радикалов кислорода: супероксидного, пергидроксильного и гидроксильного. Активные формы кислорода образуются и в процессе нормального метаболизма, но в неблагоприятных условиях (загрязнение воздуха, недоброкачественная пища, облучение, тяжелые металлы, некоторые виды лекарств и т. д.) их количество значительно возрастает. Возникают патологические последствия за счет повреждения липидов, особенно липидов клеточных мембран, белков, нуклеиновых кислот, что в конечном итоге приводит к преждевременному старению и даже гибели клеток.
Растения обладают достаточной устойчивостью к окислительным повреждениям, которые возникают при резком изменении физиологического состояния организма. Это обусловлено существованием в растительной клетке эффективных антиоксидантов, которые способны обеспечить защиту от кислородных радикалов.
4
Введение
Антиоксидантными свойствами обладают многие природные соединения. Часть из них — витамины, например С, Е, и предшественник витамина А — β-каротин. Кроме того, к антиоксидантам относятся глутатион, цистеин, метионин, лютеин, мелатонин, убихиноны, токоферолы, ретиноиды, флавоноиды, липоевая кислота и многие другие соединения, а также группа антиоксидантных ферментов.
Антиоксиданты растений более разнообразны, чем у животных, а антиоксиданты-витамины человек получает только с пищей. Следовательно, качественная растительная пища должна содержать достаточное количество антиоксидантов, а для ее получения необходимо знать условия, способствующие их накоплению.
Влияние экологических факторов на биосинтез и накопление антиоксидантов в растениях начинает привлекать внимание ученых, но пока еще не стало объектом целенаправленного изучения.
В данной работе представлены результаты исследований экологии антиоксидантных ферментов (супероксиддисмутазы, глютатионпероксидазы, каталазы, дегидроаскорбатредуктазы, аскорбатпероксидазы) и представителей неферментативных антиоксидантов — антоцианов.
Авторы с признательностью примут все пожелания, замечания и конструктивную критику, которые будут учтены в дальнейшей работе.
5
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ
АК — аскорбиновая кислота АПО — аскорбатпероксидаза
АФК — активные формы кислорода ГПО — глютатионпероксидаза БС — белый свет
ВЭР — высокоэнергетическая реакция ГР — глютатионредуктаза ДАК — дегидроаскобиновая кислота
ДГАР — дегидроаскорбатредуктаза ДКГК — дикетогулоновая кислота ДКС — дальний красный свет КАТ — каталаза МДА — малоновый диальдегид
МДАК — монодегидроаскорбиновая кислота МДГАР — монодегидроаскорбатредуктаза НЭР — низкоэнергетическая реакция ПА — проантоцианы СОД — супероксиддисмутаза СС — синий свет
ССК — светособирающий комплекс ФАЛ — фенилаланинаммиаклиаза ФХ — фитохром ФС — фотосистема
ЭТЦ — электронтранспортная цепь GSH — глютатион восстановленный GS-SG — глютатион окисленный НО• — гидроксильный радикал 1О2 — синглетный кислород О•2− — супероксидный радикал
6
Свободные радикалы и окислительный стресс
Глава 1
СВОБОДНЫЕ РАДИКАЛЫ И ОКИСЛИТЕЛЬНЫЙ СТРЕСС
Первые живые организмы на нашей планете были анаэробами, так как свободный кислород в атмосфере Земли отсутствовал. Он появился позже, в результате жизнедеятельности фототрофов, что привело к первой экологической катастрофе, так как существующие формы оказались вынуждены приспосабливаться к присутствию в среде мощного окислителя — кислорода.
У ныне живущих форм молекулярный кислород является конечным акцептором электронов в митохондриальной дыхательной цепи, где он восстанавливается до воды:
О2 + 4 е + 4Н+ → 2Н2О.
В стрессовых условиях идет неполное восстановление кислорода, что может привести к образованию активных его форм (АФК), таких как супероксид. Это реакционноспособный анион-радикал, возникающий при одноэлектронном восстановлении кислорода:
О2 + е → О•2− .
Супероксидный радикал особенно опасен для мембранных структур. Мембраны не становятся препятствием для молекулярного кислорода. Супероксидный анион, обладающий зарядом, окружен молекулами воды, поэтому он не может преодолеть гидрофобный мембранный барьер. Кроме того, супероксидный радикалимеетдлительноевремяжизнииможетстатьисточникомдругихактивныхформкислорода(Чиркова, 2002).
В организме супероксид образуется по нескольким причинам. В норме восстановление молекулярного кислорода в
7
Глава 1
дыхательной цепи происходит только с помощью цитохромоксидазы, которая отдает ему 4 электрона, необходимых для образования воды. Утечка электронов с переносчиков приводит к образованию некоторого количества супероксида. Другой причиной образования супероксида могут быть мутации митохондриальной ДНК, блокирующие ЭТЦ. Такие мутации опасны, так как митохондрии лишены системы репарации ДНК. Ионизирующая радиация и другие факторы также вызывают образование супероксида.
К супероксидному радикалу может присоединиться 1 электрон и 2 протона, в результате чего образуется пероксид водорода (Н2О2). Он достаточно стабилен и относится к окислителям средней силы; растворим в липидном бислое, поэтому легко диффундирует через мембрану. При дальнейшем одноэлектронном восстановлении пероксида водорода возможно появление гидроксильного радикала НО• — очень сильного окислителя.
Гидроксильный радикал не способен к внутриклеточной миграции, так как моментально вступает в реакцию с биомолекулами. Следовательно, пероксид водорода участвует в образовании более токсичных активных форм кислорода.
К АФК относится и синглетный кислород (1О2). Он образуется в световых реакциях растений. Поглощая квант света, пигмент переходит в синглетное или триплетное возбужденное состояние. Сталкиваясь с О2, пигмент передает на него энергию, в результате чего получается химически активный синглетный молекулярный кислород.
Таким образом, к АФК относятся свободные радикалы ( О•2− и НО•) и соединения, не являющиеся ими (1О2, Н2О2).
Взаимодействуя с органическими веществами, АФК (главным образом НО•) образуют гидропероксиды ДНК, белков, липидов. В ходе метаболизма гидропероксиды переходят в спирты, альдегиды, эпоксиды и другие окисленные соединения. Образование гидропероксидов называется перекисным окислением. Например, в липидах происходит перекисное окисление липидов (ПОЛ).
8
Свободные радикалы и окислительный стресс
В нормальных условиях жизни образование АФК и ПОЛ — обычные метаболические процессы. АФК образуются в различных структурах клетки. И если у животных основной источник АФК — митохондрии, то у растений — хлоропласты, пероксисомы и митохондрии. АФК постоянно образуются в растительных и животных клетках, в тех реакциях и процессах, в которых участвует молекулярный кислород (фотосинтез, дыхание, многие биохимические реакции).
Содержание АФК в тканях невелико: Н2О2 — 10–8моль/л; О•2− и НО• — 10–11 моль/л (Чиркова, 2002), но при чрезмерном
накоплении АФК, пероксидов и их производных, что происходит в стрессовых условиях, возникают патологические последствия.
Окислительный стресс развивается при действии самых разных стрессовых экологических факторов: под действием света высокой интенсивности, при засухе, в условиях засоления, при низких положительных (+4…+5 °С) и высоких температурах, под действием атмосферных поллютантов, при избытке тяжелых металлов в почве, при действии гербицидов, патогенов, при аноксии и в других случаях. Субклеточную локализацию АФК в условиях абиотического стресса демонстрирует рисунок 1.1.
|
|
Стресс |
Апопласт |
||
|
|
|
Хлоропласт
Экспрессиягенов
Пероксисомы
Митохондрии
Рис. 1.1. АФК и абиотический стресс (Полесская, 2007)
9
Глава 1
Абиотические стрессы разной природы провоцируют образование АФК в клеточных компартементах. Повысившийся уровень АФК в клетке активирует сигнальные пути, обусловливающие активацию транскрипции соответствующих генов и усиление антиоксидантной защиты (Полесская, 2007)
Окислительный стресс приводит к повреждению нуклеиновых кислот, белков и липидов. Вызванные АФК повреждения и мутации в митохондриальной ДНК, накапливаясь в течение жизни, становятся причиной старения. Выявлена обратная связь между интенсивностью генерации супероксидрадикала в митохондриях и продолжительностью жизни.
Растения обладают достаточной устойчивостью к окислительным повреждениям, которые возникают лишь при резком изменении физиологического состояния организма. Это обусловлено существованием в растительной клетке эффективных антиоксидантных систем (АОС), которые способны обеспечить защиту от кислородных радикалов и синглетного кислорода. Они более разнообразны, чем у животных, которые имеют иммунную систему.
Антиоксидантные системы состоят из антиоксидантных ферментов и неферментативных антиоксидантов. Последние могут быть гидрофильными и гидрофобными. К первым относятся аскорбиноваякислота (АК) и восстановленный глютатион.
В химическом отношении АК является лактоном 2,3-ди- энол-l-гулоновой кислоты (С6Н8О6). Она обладает сильно выраженными восстанавливающими свойствами. Окисляясь, АК легко переходит в дегидроформу (ДАК). Окисление АК до ДАК происходит в результате отдачи двух протонов и двух электронов. При окислении в особых условиях, когда происходит отдача только одного протона, возникает свободный радикал — монодегидроаскорбиновая кислота. Это нестабильная, реакционноспособная форма АК. Переход АК в ДАК — двухэтапный. На первом этапе две молекулы АК дают начало двум молекулам монодегидроаскорбиновой кислоты. Далее они дисмутируют: одна молекула превращается в ДАК, другая — в АК.
10