Микробиология - Гусев М.В.
Скачать (прямая ссылка):
Перекись зодорода — наиболее стабильный из промежуточных продуктов восстановления O2, но и наименее реакциониоспособный.
297
У большинства аэробных прокариот H2O2 быстро разлагается с помощью гемсодержащих ферментов: катал азы и пероксидазы. В отсутствие их H2O2 может накапливаться в летальных для организма концентрациях.
H2O2 вызывает окисление SH-групп в белках, перекисное окисление ненасыщенных жирных кислот. Однако эти реакции протекают с измеримыми скоростями, если концентрация H2O2 в клетке будет на четыре порядка выше той, которая обычно достигается in vivo. Поэтому не исключено, что перекись водорода опасна не из-за прямого взаимодействия с компонентами клетки, а потому, что, реагируя с Оз (реакция 5) или ионами Fe2+ (реакция 6), может приводить к образованию гидроксидного радикала.
В 20-х гг. большой популярностью пользовалась теория, объясняющая токсичность O2 накоплением в клетке перекиси водорода. Однако иозднее были обнаружены более токсичные для клетки формы O2 среди первичных и вторичных продуктов его одноэлектронного восстановления (O2-, ОН* *02).
Синглетный кислород. В норме O2 находится в стабильном состоянии, называемом триплетным и характеризующемся наименьшим уровнем молекулярной энергии. В определенных условиях молекула O2 переходит в одно из двух возбужденных синглетных состояний (*02), различающихся степенью эиергизованности и длительностью «жизни». У большинства живых клеток в темноте основным источником синглетного кислорода служит спонтанная дисмутация супероксидных анионов (см. реакцию 3). Синглетный кислород может возникать также при взаимодействии двух радикалов:
Ol + ОН' ~* OYT + *02. (9)
Вероятно, любая биологическая система, в которой образуется O2", может быть активным источником синглетного кислорода. Однако по-следний_возникает и в темновых ферментативных реакциях в отсутствие Q2 .
Давно было известно, что на свету токсичность молекулярного кислорода для живых организмов повышается. Этому способствуют находящиеся в клетке вещества, поглощающие видимый свет, ;— фотосенсибилизаторы ?. Многие природные пигменты могут быть фотосенсибилизаторами. В клетках фотосинтезирующих организмов активными фотосенсибилизаторами являются хлорофиллы. Окисление биологически важных молекул под влиянием видимого света в присутствии молекулярного кислорода и красителя получило название фотодинамического эффекта.
Поглощение видимого света приводит к переходу молекулы красителя в возбужденное синглетное состояние (*Д);
Д + %->*Д.
Молекулы красителя в синглетном состоянии . могут возвращаться в основное (Д) или переходить в долгоживущее триплетное состояние (ТД), в котором они фотодинамически активны. Установлено несколько механизмов, с помощью которых возбужденная молекула красителя (ТД) может вызывать окисление молекулы субстрата. Один из них связан с образованием синглетного кислорода. Краситель в триплет
2 Фотосенсибилизаторы — молекулы, способные поглощать свет и индуцировать химические реакции, которые в их отсутствие не происходят.
298
иом состоянии реагирует с O2 и переводит его в возбужденное син-глетное состояние:
тд+о2-^Д+*02.
Синглетный кислород окисляет молекулу субстрата (В):
В + *02-ИВ02.
Фотодинамический эффект обнаружен у всех групп живых организмов. У прокариот в результате фотодинамического действия индуцируются повреждения многих типов: утрата способности формировать колонии, повреждение ДНК, белков, клеточной мембраны. Причина повреждений — фотоокисление некоторых аминокислот (метио-нина, гистидина, триптофана и др.), нуклеозидов, липидов, полисахаридов и других клеточных компонентов.
Клетки содержат вещества, выполняющие функцию тушения синглетного кислорода и понижающие возможность структурных и иных повреждений, вызываемых им. Одним из «тушителей» синглетного кислорода служат каротиноиды, защищающие фотосинтезирующие организмы от летальных эффектов, фотосенсибилизируемых хлорофиллом. Перехватчиками *02 являются также такие антиоксиданты, как например а-токоферол.
Озон и атомарный кислород. Продуктами молекулярного кислорода являются также атомарный кислород (О) и озон (Оз). Известно, что молекулярный кислород сильно поглощает свет в дальней УФ-об-ласти (160—240 нм). Каждый поглощенный фотон вызывает диссоциацию молекулы кислорода на два атома:
02 + Av-*-20.
Затем спонтанно протекает реакция, приводящая к образованию молекулы озона:
02+0^03.
Озон может также возникать из молекулярного кислорода в воздухе при сильных электрических разрядах, а также при электролизе воды и в некоторых реакциях, где он сопровождает образование O2. В некоторых реакциях окисления с помощью озона образуется синглетный кислород. Как окислители озон и атомарный кислород сильнее O2. Озон может реагировать практически со всеми типами соединений с образованием радикалов.
Защитные механизмы клетки
По современным представлениям, наибольшей токсичностью для клетки обладают синглетный кислород и гидроксидные радикалы. Определенный вклад в общий отрицательный «кислородный» эффект вносят и другие производные O2. Много неясного остается в оценке степени токсичности для клетки самого молекулярного кислорода. Для нейтрализации токсических форм O2 существующие прокариоты выработали различные защитные механизмы, которые могут быть разделены на несколько типов. В основе систем защиты первого типа лежит деятельность специальных ферментов, для которых разложение токсических форм O2 является основной и в ряде случаев единственной функцией. В системах защиты второго типа для разрушения токсических форм O2 используются определенные клеточные метаболиты. Как правило, в этом случае участие в защите клетки от токсических эф
