Классическое и современное определение оксидативного стресса. Важность оксидативного стресса. Основные типы активных форм кислорода, время их распада.

Классическое определение – состояние организма, при котором наблюдается дисбаланс между произведенными и детоксифицированными активными формами кислорода (АФК) и свободными радикалами.

 

Современное дополнение – это также может быть и стресс-фактор, напрямую вызывающий продукцию АФК.

 

Почему так важен оксидативный стресс?

 

1. Он вовлечен практически во все ответы растений на стрессоры. Пока не найдено ни одного стресс-фактора, который бы хотя бы частично не действовал через индукцию оксидативного стресса.

 

2. Является универсальным «декодировщиком» стимулов, он играет основную роль в распознавании и усилении стресс-сигналов (в особенности, патогенных) и запускает иммунный ответа и генетические программы устойчивости (неспец. и спец.).

 

3. Выступает в роли индуктора программируемой клеткой смерти при дистрессе.

 

Поэтому АФК часто относят к «гормонам» стресса или «регуляторам» стресса.

Другой такой регулятор - это цитоплазматический Са2+

 

117. Активация кислорода. Определение активных форм кислорода, свободных радикалов, переходных металлов. Супероксидный анионный радикал, его взаимодействие с Н⁺. Восстановление кислорода, классическая реакция Фентона, неклассический синтез гидроксильного радикала.

 

Кислород – наиболее обильный элемент земной коры (Guido, 2001).

 

89% массы H2O – превалирует по массе в живых системах.

 

Атмосферный элементарный O2 начал накапливаться с появлением первых растений и его содержание сейчас примерно 21% от всего объема воздуха.

 

Кислород – важнейшие окислитель аэробного мира, включая живые системы, поскольку он второй по силе окислитель после фтора, который намного более редок в природе.

 

Наиболее распространенная форма кислорода атмосфера - O2.

Он ди(би)радикал (O22•) и существует как свободная молекула, поэтому он свободный радикал. Но электроны у данного молекулярного кислорода имеют однонаправленные спины. В виду спиновой рестрикции они малоактивны.

 

Для активации электронная конфигурация кислорода должна измениться – например, под действием внешней энергии. Это могут быть энергизированные электроны в ЭТЦ, ультрафиолет, некоторые химические реакции, кавитация, ионизирующая радиация и т.д.).

 

Классические реакции Фентона

 

(I.) metal reduced + H2O2 → metal oxidised + •OH + OH−;

 

II.) metal oxidised + H2O2 → metal reduced + HO2•- + H+

118. Новые механизмы биосинтеза АФК, «включающиеся» при стрессе. Роль АФК помимо стрессовых реакций. Важность Са²⁺-регуляции при стрессе.

Новые механизмы биосинтеза АФК

(1990-2000-е), «включающиеся» при стрессе:

 

- НАДФН-оксидазы (расположены в плазматической мембране, «выбрасывают» электрон наружу, активируя О2 до супероксида, 10 генов у арабидопсиса, цитоплазматический Са2+ является кофактором)

 

- пероксидазы (класс-III, свободные ферменты, продуцирующие пероксиды и гидроксильные радикалы, содержат гем, многие транспортируются в апопласт и вакуоль, 73 гена у арабидопсиса)

 

Начиная с конца 1990-х, становится понятно, что АФК нужны и в других процессах – росте, гравитропизме, полярности, для действия гормонов и при эмбриогенезе:

 

- например, работы лаборатории Стивена Фрая (Эдинбург) Анны Лизкай и Петера Шопфера (Фрейбург, Германия)

 

гидроксильный радикал, производимый в клеточной стенке из Н2О2 под действием связанного переходного металла (медь или железо), вызывает разрывы в полисахаридах и пектине, необходимые для роста клеток

 

Почему так важен Са2+?

 

- повышение уровня Са2+ в цитоплазме (4-мерная кальциевая волна) – это код для внешних сигналов у клеток растений (и животных тоже), которые «видят и слышат» окружающий мир при помощи мембранных рецепторов и волны изменения активности Са2+

 

За развитие представлений о сигнальной роли Са2+ дали

3 Нобелевские премии

119. Основные сайты (места) биосинтеза АФК в растениях, локализация синтеза АФК в фотосистемах. Классический и неклассический пути синтеза гидроксильного радикала.

основные сайты (места) биосинтеза АФК – хлоропласты, митохондрии, наружное внеклеточное пространство вблизи плазмалеммы и сайты локализации свободных пероксидаз типа-III.

 

Рисунок ниже – ЭТЦ фотосинтеза – ФС2 - согласно EPR-анализу – утечка электрона на кислород (супероксид генерируется) идет около около феофитина (pheo.), первичного хинонового акцептора (QA) и цитохрома b559. Также в ФС2 одноэлектронное окисление H2O2 на (OEC) дает дополнительный супероксид в лумене.

 

Основным местом АФК-синтеза считается ФС1, где O2•-, вероятно, продуцируется на комплексе 4Fe-4S (кластеры X) на стороне стромы.