Розділ 2
Активність антиоксидантних ферментів у тканинах вищих рослин за умов сольового
стресу
Поряд із окисною деструкцією спричиненою впливом різноманітних стресових
чинників за принципом зворотного зв'язку відбуваються зміни у системі
антиоксидантного захисту, до складу якої, зокрема, входять такі ферменти, як
супероксиддисмутаза (СОД), каталаза та неспецифічна пероксидаза.
Ключову роль у ферментативному захисті рослинного організму відіграє
супероксиддисмутаза – супероксид:супероксиддисмутаза (КФ 1.15.1.1). Вона
запобігає спонтанній дисмутації супероксидного аніон-радикалу в клітинах шляхом
каталізу реакції його диспропорціювання до пероксиду водню та молекулярного
кисню, тим самим перешкоджаючи розвитку ланцюгових реакцій ПОЛ:
СОД
О2*– + О2*– + 2Н+ > Н2О2 + О2
СОД широко розповсюджена в аеробних організмах, де складає близько 0,1%
загального білка протоплазми клітини [9]. Вперше вона була виділена Mann і
Keilin з крові бика у 1938 році як білок, що приймає участь у зв’язуванні міді.
У 1969 році McCord та Fridovich визначили білок СОД як еритрокупреїн та описали
його каталітичну функцію. Першу детальну характеристику СОД у рослин зробив
Sawada [195], який працював з ферментом з проростків гороху.
СОД – це фермент, простетична група якого представлена металами змінної
валентності. За цією ознакою розрізняють чотири типи ензиму: Cu,Zn-СОД, Mn-СОД,
Fe-СОД та Ni-СОД у Streptomyces [100].
Метали, що входять до активного центру СОД, виконують основну каталітичну
функцію через циклічний окисно-відновний механізм. У випадку Cu,Zn-СОД у
каталітичній реакції приймають участь іони міді, в той час як іонам цинку
приписують роль стабілізатора активного центра:
1) E-Cu(ІІ) + О2*– > E-Cu(І) + O2
2) E-Cu(І) + О2*– + 2H+ > E-Cu(ІІ) + H2O2
В цих реакціях окисний стан міді змінюється з +2 на +1. Подібні реакції можна
написати для Fe та Mn, чий окисний стан коливається між +2 та +3.
Крім основної для всіх СОД реакції диспропорціювання О2*-, яка проходить з
високою ефективністю, Cu,Zn-СОД також може бути каталізатором інших процесів,
що відбуваються з меншою швидкістю. Зокрема, Cu,Zn-СОД каталізує НСО3--залежне
окислення великої кількості субстратів пероксидом водню. Механізм цього
окислення полягає в утворенні в активному сайті ферменту сильного окисника, що
є похідним пероксиду водню, який потім окисляє НСО3- до більш сильного та
здатного до міграції окисника, переважно карбонат аніон радикалу, що залишає
активний сайт і окисляє різноманітні субстрати [141]:
1) Е-Cu(І) + H2O2 > Е-Cu(ІІ)OH + OH-
2) Е-Cu(ІІ)OH + НСО3- > Е-Cu(ІІ) + Н2О + СО3-*
3) СО3-* + SH2 > НСО3- + SH*
До того ж, була показана участь Cu,Zn-СОД у відновленні О2*- з використанням
інших субстратів, ніж О2*-, внаслідок чого вона вже діє як супероксидредуктаза,
та в елімінація NO- як за аеробних, так і за анаеробних умов [140].
Протягом довгого часу вважалося, що Cu,Zn-СОД може виступати як прооксидант при
взаємодії з Н2О2, внаслідок чого ініціюється утворення радикалів О2*– і ОН* за
схемою [141]:
1) Е-Cu(ІІ) + H2O2 > Е-Cu(І) + О2*– + H+
2) Е-Cu(І) + H2O2 > Е-Cu(ІІ) + OH* + OH-
Але останнім часом з’явилися докази того, що за відсутності НСО3- не
утворюється жоден окисник, який залишає активний сайт Cu,Zn-СОД при її
взаємодії з Н2О2. Отже, фермент не каталізує утворення ОН* з Н2О2. При цьому
взаємодія Cu,Zn-СОД з Н2О2 за механізмом дії неспецифічної пероксидази
призводить до інгібування ферменту [141]. У модельних системах було виявлено
незначну активацію СОД низькими концентраціями екзогенного пероксиду водню, у
той час як його концентрації вище за 10 мкМ викликали інгібування ферменту
[30].
Типи СОД, що ідентифіковані у рослинних організмах виявляють різну чутливість
до інгібіторів. Так, Cu,Zn-СОД чутлива до впливу ціаніду та пероксиду водню
[64, 70], Mn-СОД – до суміші хлороформ-етанол [126, 228, 103], а Fe-СОД
інактивується Н2О2 [191].
На відміну від більшості живих організмів, де в різних клітинних компартментах
присутній лише один з типів СОД, у рослинних організмів цей фермент
репрезентований багатьма ізоформами кожного типу СОД, що кодуються дев’ятьма
генами Sod. Вони по-різному регулюються світлом та іншими стресовими чинниками,
а в їх промотерах виявлено гормон-специфічну ділянку, яка відповідає за
реагування цих генів на вплив фітогормонів. Це вказує на більш комплексний
антиоксидантний захист рослин у порівнянні з іншими біологічними об’єктами
[197].
Типи СОД різняться за місцем локалізації. Так, основна кількість Cu,Zn-СОД
знаходиться в цитозолі [118, 195], а також у хлоропластах [103, 118, 168],
мітохондріях [103, 122], у гліоксисомах [74, 194], а нещодавно вона була
виявлена у ядрі, на (або біля) тонопласту і в апопласті [167]. Крім того, було
відкрито чотири ізоформи позаклітинної Cu,Zn-СОД, що характеризуються високою
ізоелектричною точкою (рІ 10,2) HipI-СОД [198, 214]. Треба зауважити, що
Cu,Zn-СОД хлоропластів має лише одну ізоформу, в той час як цитозольна налічує
кілька ізоформ [167].
Mn-СОД знайдена головним чином у мітохондріях [97], а крім того в хлоропластах
[144] та пероксисомах [194]. Fe-СОД вперше було виявлено в хлоропластах [133,
191], але на теперішній час стала відома її присутність у мітохондріях та
пероксисомах [88].
Білок різних типів СОД репрезентований моно-, ди- або тетраметрами. Молекула
димеру побудована з двох ідентичних субодиниць, кожна з яких має всередині
ланцюга дисульфідний місток, одну сульфгідрильну групу та ацетильовану кінцеву
аміногрупу [228]. З'ясовано, що Cu,Zn-СОД цитозолю, хлоропластів, мітохондрій і
пероксисом та Fe-СОД хлоропластів є димерами, молекулярна маса мономерів
- Київ+380960830922