1.3 Биологическое значение активных форм кислорода

Образование АФК является результатом как стрессового, так и нормального метаболизма. Однако избыток АФК в клетках может быть причиной повреждений биополимеров и липидов растительных клеток. Крайними результатами нарушения балансового соотношения в образовании/обезвреживании АФК может быть некроз тканей или реакция сверхчувствительности, возникающая у устойчивых растений в ответ на инфицирование патогенами.

В первые 2–3 мин наблюдается окислительный взрыв – повышение уровня активных форм кислорода. Реакцию образования супероксидного аниона могут катализировать НАДН-зависимая пероксидаза, ассоциированная с внешней поверхностью плазматической мембраны или клеточной стенкой растения-хозяина, и НАДФН-оксидаза, также встроенная в его мембрану. Установлена положительная корреляция между активностью НАДФН-оксидазы и уровнем ионов кальция в клетке при патогенезе [51]. Локализованный в плазматической мембране растения-хозяина рецептор связывается с элиситором, это влечет за собой изменение конформации ассоциированного с рецептором G-белка, который открывает Са^2+-канал. В результате повышается уровень внутриклеточного кальция и, как следствие, активируется Са²⁺ кальмодулин-зависимая протеинкиназа. Последняя катализирует фосфорилирование НАДФН-оксидазы, восстанавливающей О₂ до супероксид-аниона, который подвергается дисмутации с образованием пероксида водорода. Пероксид водорода, с одной стороны, оказывается источникомНО^•, при взаимодействии которого с липидами образуются гидропероксиды предшественники разнообразных биологически активных оксипродуктов, в том числе жасмоновой кислоты, участвующей в активации «защитных генов». Образование пероксида водорода можно рассматривать как защитную реакцию растения-хозяина на воздействие патогена. С другой стороны, накопление пероксида изменяет обмен и в клетках патогена. В них также продуцируются АФК, активируется ПОЛ и происходит деградация различных компонентов клеток тканей хозяина [51].

Изменения в интенсивности генерации АФК могут быть причастны к активации реакций, связанных с морфогенезом растений [63,30]. Так, например, доказана роль супероксидного радикала в растяжении листовых пластинок растений. Известно, что под контролем АФК находится явление апоптоза, например, запрограммированная гибель колеоптилей злаков [55].

Известно, что образование АФК в значительной мере зависит от кальциевого статуса клеток. Следует отметить, что между ионами кальция и АФК существуют реципрокные взаимоотношения: в одних случаях Са²⁺ индуцирует образование АФК в растительных клетках, в других – АФК вызывают выход кальция в цитозоль; нередко подобные эффекты наблюдаются одновременно. Са²⁺и АФК можно рассматривать как ключевые компоненты (мессенджеры) единой сети, которая объединяет сигнальные системы растительных клеток. На разных этапах ее функционирования возможно взаимное усиление влияния этих мессенджеров [26]. В передаче сигнала АФК в геном основная роль принадлежит различным белковым сенсорам. Ими выступают редокс-чувствительные белки, способные обратимо окисляться и восстанавливаться. АФК могут окислять редокс-чувствительные белки непосредственно или непрямым путем при посредничестве молекул, которые контролируют оксислительно-восстановительный баланс клетки (глутатион, тиоредоксин) [57,19]. Один из механизмов влияния АФК заключается в окислении тиольных групп белков. Сера, как известно, может быть в составе сульфгидрильных (восстановленных) или дисульфидных (окисленных) групп. Такие переходы приводят к изменению конформации белков. Другим механизмом редокс-регуляции является окисление железо-серных кластеров в белках. Наиболее детально изучена сигнальная роль Н₂О₂, что обусловлено относительно высокой стабильностью данной АФК. Так, установлено, что перекись водорода может активировать одну из изоформ киназы – представителя МАР-киназ, группы С Arabidopsis (AtMPK1 и AtMPK2), являющегося частью универсального механизма регуляции передачи сигналов у растений при этом активация МАР-киназ одновременно сопряжена с синтезом PR-белков, выполняющих защитные функции при стрессах различной природы [33].

Помимо указанных выше воздействий, оксигенированные производные выполняют и другие разнообразные регуляторные функции. Например, в ходе деградации липидов могут образовываться фитогормоны-жасмонат, метилжасмонат, АБК. Реактивные производные кислорода способны прямо взаимодействовать с нуклеиновыми кислотами, вызывая повреждение азотистых оснований, дезоксирибозы и рибозы и появление новых ковалентных связей. Модификация оснований становится причиной разрывов водородных связей между цепями ДНК и повреждения хромосом [11].

Таким образом, усиленное образование АФК является одной из наименее специфических реакций растений на действие биотических и абиотических стрессоров. В то же время разные по природе неблагоприятные факторы, в том числе противоположные по характеру действия, вызывают различное по продолжительности увеличение содержания АФК во многих компартментах растительных клеток, в результате чего происходит нарушение многих физиолого-биохимических процессов. Избыток АФК в клетках может быть причиной повреждений биополимеров и липидов растительных клеток. В связи с этим большое значение имеет функционирование 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.