1.5 Фенольная антиоксидантная защита

Фенольные вещества растений – необыкновенно разнообразная группа вторичных соединений, которые содержат один или несколько фенольных остатков и имеют различное число оксигрупп и заместителей [14]. К настоящему времени описано более 8000 различных фенолов, и число их ежегодно увеличивается. Спектр фенольных соединений отличается разнообразием даже в пределах одного вида растений: среди них могут присутствовать простые фенолы и хиноны, фенолкарбоновые кислоты и их производные, флавоны, флаваноиды, катехины, лейкоантоцианы [9]. Наиболее часто они присутствуют в форме конъюгатов – гликозидов и эфиров, однако не исключена и свободная их форма.

Образуясь в хлоропластах, в большинстве случаев из фенилаланина либо его предшественника – шикимовой кислоты, они играют важную роль в обмене веществ растительной клетки, участвуют в химическом взаимодействии между организмами так, они обладают аллелопатической, антибактериальной и антифунгальной активностью выступают в качестве пищевых детергентов. Эффекты фенольных соединений обнаруживаются на всех уровнях организации биосистем, от молекулярного до экосистемного.

Анализ литературных данных показывает, что основная функция фенольных соединений заключается в защите клеток от негативного влияния факторов среды. Являясь сильными акцепторами, фенольные соединения проявляют антиоксидантное действие: связывают ионы тяжелых металлов в устойчивые комплексы, лишая их каталитического действия; служат акцепторами образующихся при аутоксидации свободных радикалов и поэтому способны гасить свободнорадикальные цепи; хинонные формы фенолов особенно энергично взаимодействуют с белками, могут вызывать их дубление [9]. Антирадикальная активность фенольных соединений, их способность тормозить свободнорадикальные реакции играет важную роль в антимутагеном эффекте, уменьшая опасность образования наследственных нарушений.

Эффективными перехватчиками радикалов являются фенольные антиоксиданты, имеющие в своей структуре ароматическое кольцо, которое связано с одной или несколькими гидроксильными группами [22].Главным действующим началом, обеспечивающим фенольным АО способность тормозить радикальные процессы окисления, является гидроксильная группа, присоединенная к ароматическому ядру. Благодаря наличию в структуре ароматического кольца π - электронов происходит смещение отрицательного заряда на кислород, результатом чего становится достаточно легкий отрыв атома водорода ОН - группы с образованием разных изомерных форм фенокси-радикала, которые выступают перехватчиками перекисных и алкоксильных радикалов. Особый интерес фенолы вызывают как доноры электронов в реакциях с пероксидом водорода, катализируемых ФПР [13].

Взаимодействие фенольных соединений с органическими радикалами приводит к образованию феноксильных радикалов. Они в дальнейшем могут участвовать в реакциях диспропорционирования с образованием хинолидных перекисей, которые в свою очередь при дефиците кислорода могут тормозить окисление посредством взаимодействия с алкильными радикалами [24]. Однако благодаря способности легко отдавать и захватывать электроны фенольные АО выступают и в роли восстановителей, проявляя прооксидантные свойства. Накопление фенольных веществ под влиянием неблагоприятных и стрессовых условий среды обеспечивает устойчивость вида. Часто они выполняют роль защитных барьеров на пути механических, химических, термических факторов среды, а также болезнетворных воздействий [21]. В литературе имеются сведения о накоплении фенолов у растений под влиянием ряда экстремальных внешних воздействий, таких как засоление [17], УФ радиация [24], мутагены [20], гербициды и фунгициды [9], механические повреждения [40], загрязнение атмосферы кислыми газами [40],загрязнение почвы тяжелыми металлами [54] и т.д. Приведенные данные позволяют говорить о неспецифической ответной реакции растений на воздействие экстремальных внешних факторов, заключающейся в повышении содержания фенольных соединений.

Физиологическая роль фенольных соединений состоит в изменении интенсивности ростовых процессов в зависимости от времени суток, сезона года, действия стрессовых факторов (засухи, загрязнения среды и т.д.). Весьма вероятно, что данное действие связано с окислением фенолов в хиноны. Возможно, что изменения в ростовых процессах в экстремальных условиях среды также является следствием нарушения проницаемости мембран растений и выхода фенольных соединений из вакуоли в цитоплазму с последующим окислительным превращением в хиноны [4]. Не исключено, что повреждения мембранного аппарата растительной клетки вызваны в этом случае накоплением фенолов. Поскольку имеются отдельные сведения о нарушениях цитоплазматической, митохондриальной и ядерной мембраны, а также деструкции липидного компонента под влиянием веществ фенольной природы.

Установлен факт активного участия фенолов в процессе лигнификации клеточной стенки растений [43].

Показано, что к числу защитных реакций растительной клетки относится переход мембранно-связанных ферментов фенольного обмена из латентного состояния в свободное, которое также может наблюдаться при нарушениях мембранного аппарата [38]. В результате происходит увеличение активностиключевого фермента биосинтеза фенолов – фенилаланинаммиаклиазы, следствием чего является накопление фенолов [12]. Одновременно с этими процессами идет увеличение активности фенолокисляющих ферментов – полифенолоксидазы, пероксидазы. Так или иначе, фенолы участвуют практически во всех защитных реакциях растений, как пассивных, так и активных, играют роль универсального средства обороны от вредных воздействий.

ГКК, или производные кофейной кислоты, являются наиболее распространенными полифенольными кислотами в высших растениях. Этот класс соединений представлен сложными эфирами кофейной кислоты с хинной, шикимовой и винной кислотами, гликозидами, а также комплексами с целлюлозой, лигнином и белками. ГКК проявляют выраженные антиоксидантные и антирадикальные свойства в тестах in vitro, описаны также их иммуностимулирующая, противовирусная и противовоспалительная активность [13]. Основными ГКК являются: кафтаровая, хлорогеновая и ее изомеры, цикориевая, изомеры дикофеоилхинной кислоты (цинарина), феруловая и ее изомеры.

ГКК активно участвуют в регуляции роста, стабилизируя уровень ауксинов. Очень важна способность ГКК защищать клетки от УФ – излучения [46]. При освещении транс-формы гидроксикоричных кислот преобразуются в более богатые энергией цис-формы. При обратном переходе происходит преобразование поглощенной энергии, которая используется, например, для поглощения воды или иные физиологические процессы.

Показано, что при действии УФ - света выживают только те клетки, которые синтезируют в ответ на облучение повышенные количества данных соединений. При механических повреждениях тканей растений происходит быстрое новообразование раневой перидермы, состоящей, главным образом, из суберина, в образовании которого важное значение имеют ГКК [2].

В связи с вышесказанным становится очевидным, что функции антиоксидантной системы, обеспечивающей утилизацию АФК и предотвращение накопления в клетке окисленных макромолекул, приобретает особое значение при действии на растения неблагоприятных факторов. Согласно современным представлениям, уровень активности АО - ферментов и содержание низкомолекулярных антиоксидантов отражают общую «обороноспособность» организма и определяют границы устойчивости к экстремальным воздействиям. Ответ АО - системы на действие стрессоров различной природы обладает рядом неспецифических черт. Так, для фитостресса характерны активация основных АО - ферментов и увеличение пула низкомолекулярных антиоксидантов на фоне роста их окисленности.