Учебно-методическое пособие Рекомендовано методической комиссией биологического факультета для студентов ннгу, обучающихся по направлению подготовки «Биология». Нижний Новгород
|
|
Скачать 0.62 Mb.
|
|
Enz-Cu (I) + H2O2 → Enz-Cu(II)-OH + OH Вопросы для самоконтроля |
1 2
|
Глава 2. Особенности восприятия слабых стрессоров физической природы растительной клеткой У многоклеточных организмов выделяют 2 уровня восприятия и передачи сигналов. Во-первых, это уровень целого организма, который получает информацию из окружающей среды, во-вторых, это уровень клеточный. Подавляющая часть клеточных механизмов устойчивости сформировалась на ранних этапах эволюции, поэтому защитные системы у высших растений и более примитивных организмов имеют общую основу. Изменения в метаболизме, физиологических функциях и ростовых процессах при стрессах, прежде всего, связаны с изменениями в экспрессии генов. Ответ на действие стрессора происходит, если растение распознает стрессор на клеточном уровне. Распознавание стрессора, т.е. рецепция сигнала, приводит к активации пути передачи сигнала. Последний поступает в геном, индуцируя или подавляя синтез тех или иных белков. Связанные с экспрессией генов ответные реакции клеток на действие стрессора интегрируется в ответ целого растения, который выражается, например, в ингибировании роста и развития растений, и одновременно в повышении его устойчивости к действию стрессора. Во время переключения обмена веществ на новый режим при стрессовых воздействиях резервные возможности организма объединяются благодаря системам регуляции. Для координации функциональной активности клетки в нормальных и неблагоприятных условиях среды необходим аппарат регуляции, включающий тесно связанные между собой генетическую, метаболическую (ферментную) и мембранную системы. Многочисленные исследования последних десятилетий показали, что независимо от природы воздействия, ответ растения на него развивается по некоторой общей схеме, что позволяет говорить о существовании неспецифической стрессовой реакции на воздействия извне. Таким универсальным звеном в реакции растительного организма на действие самых разнообразных факторов может быть некоторое стереотипное изменение внутренней среды клетки, на роль которого многие исследователи и выдвигают окислительный стресс. Однако до настоящего времени ведутся споры о степени универсальности окислительного стресса, как ответной реакции на любое воздействие извне и наличии специфических механизмов для его реализации, зависящих от природы действующего фактора. Довольно долго АФК рассматривались как неизбежное зло, возникшее при переходе большинства организмов к аэробному образу жизни. Однако оказалось, что роль этих молекул двойственная. В многочисленных работах показано усиление генерации активных форм кислорода в ответ на разнообразные внешние стимулы, но их роль в развитии стресс-реакции до конца не выяснена и является широко обсуждаемым вопросом. С одной стороны повышение продукции активированного кислорода приводит к интенсификации окислительной модификации биомолекул и, как следствие, к изменению перекисного гомеостаза клетки. В то же время известно, что клетки воспринимают и используют АФК в качестве сигнальных молекул, вторичных мессенджеров, которые помогают им анализировать внешние воздействия и внутренние сигналы. Кроме того, в некоторых случаях, клетка начинает сама продуцировать АФК, чтобы с их помощью включать те или иные процессы. Роль пероксида водорода как вторичного мессенджера была подтверждена во многих случаях, связанных с экспрессией генов, контролирующих синтез ферментов-антиоксидантов, а также синтез низкомолекулярных антиоксидантов – аскорбата и глутатиона. Есть данные, что индукция антиоксидантной защиты может быть вызвана генерацией супероксида и пероксида водорода в апопласте. В растительной клетке генерация значительной части активных форм кислорода происходит в результате функционирования мембранных систем (например, ЭТЦ хлоропластов, митохондрий, плазмалемма), в связи с чем в современной физиологии растений выдвигается гипотеза о сенсорной функции клеточных мембран растений, так как последние не имеют специфической системы восприятия информации окружающей среды, такой, как нервная система животных. Большое внимание в последнее время уделяется механизмам ответа живых систем на слабые внешние воздействия, с целью выяснения закономерностей, физиологической роли и степени универсальности реакции организма на заведомо неповреждающие агенты среды. Предполагается, что действие факторов, по силе не выходящих за зону толерантности организмов, формируется не вследствие прямого повреждающего эффекта стрессора, а в результате сдвига внутриклеточного гомеостаза. Многие низкоинтенсивные факторы (например, ионизирующая радиация в малых дозах, химические вещества в низких концентрациях и др.) одинаково воздействуют на биологические системы. В биологии даже появился специальный термин для описания таких воздействий - «эффекты малых доз». Они выражаются в нелинейном, или парадоксальном ответе живой системе на действие низкоинтенсивного фактора - меньшая доза вызывает больший отклик системы, чем более высокая доза воздействия. Особенно широко этот феномен изучается в радиобиологии. 2.1. Воздействие низкоинтенсивной ионизирующей радиации: эффекты малых доз В настоящее время происходит рост техногенного радиоактивного загрязнения среды в связи с миграцией радиоизотопов по пищевым цепям и почвенным горизонтам в результате выброса огромного количества радиоактивных материалов во время Чернобыльской аварии. Особенности действия некоторых изотопов на растительные организмы связаны с тем, что, являясь метаболическими аналогами некоторых микроэлементов, они активно поглощаются и накапливается растениями, встраиваются в мембраны и активные центры белков, где, даже в сверхмалых концентрациях, способны оказывать пролонгированное низкоинтенсивное ионизирующее действие на компоненты клеточных структур. Особенность эффектов малых доз радиации состоит в том, что их нельзя получить путем прямой экстраполяции эффектов больших дозах. В последние годы описан целый ряд специфических эффектов малых доз радиации, для которых характерна общность свойств, что свидетельствует о едином механизме из инициации. К эффектам малых доз радиации относят:
При воздействии низкоинтенсивной ионизирующей радиации на живые организмы в клеточных макромолекулах происходит разрывы химических связей в результате как непосредственной ионизации, так и непрямого действия радиации, вызванного действием свободных радикалов, образовавшихся из других молекул клетки. В биологических системах непрямые эффекты облучения чаще всего связаны с участием высокоактивных продуктов радиолиза воды. Ввиду особенностей взаимодействия ионизирующей радиации с веществом, процесс радиоактивного повреждения начинается на уровне взаимодействия ионизирующих частиц, фотонов с отдельными атомами вещества. Акт первичного физического взаимодействия квантов и частиц излучения с живым субстратом не зависит от природы облучаемого вещества и сводится к передаче энергии излучения с образованием ионов, переходом электронов в возбужденное состояние. Такие ионы обладают энергией достаточной для ионизации еще нескольких молекул воды. При этом расстояние, на котором происходит каждая последующая ионизация, прогрессивно уменьшается. Происходит образование «блобов», коротких треков и «шпор» - микрообластей распределения промежуточных активных частиц в объеме вещества. Таким образом, на первой физической стадии радиолиза (10-16-10-15 с) образуются возбужденные Н2О* и сверхвозбужденные Н2О** молекулы воды. Молекулярные ионы воды (их иногда называют "сухая дырка") могут мигрировать по резонансному механизму, возможна также миграция возбуждения. На следующей физико-химической стадии (10-14с) первичные продукты облучения, взаимодействуя с кислородом и трансформируются в АФК. Происходит диссоциация и автоионизация сверхвозбужденных молекул: H2O* H+ + OH- Н2О* Н2 + О Н2О** Н2O+ + е- . Н2О+ + Н2О Н3О+ +  К концу физико-химической стадии облученная вода находится в состоянии теплового равновесия. В ней существуют гидратированные электроны, радикалы  , и О, Н2О+, Н, которые концентрируются в микрообластях.На химической стадии (10-10 – 10 -7с) образовавшиеся продукты реагируют друг с другом, что приводит к генерации атомов и молекул водорода, пероксида водорода и ионов гидроксила, сосредоточенных в "блобах", "шпорах" и коротких треках. Одновременно имеет место диффузия этих частиц в объем раствора. В конце этой стадии в воде существуют гидратированные электроны, атомы водорода и кислорода, , ОН– , Н2О2, Н2О+. Вышедшие из мест повышенной концентрации в объем облучаемой системы частицы реагируют с растворенными веществами, со стабильными продуктами радиолиза и с короткоживущими частицами, вышедшими из других мест повышенной концентрации. Эти реакции характеризуются, как правило, весьма высокими константами скорости и низкими энергиями активации. В результате этих реакций в системе происходит разрушение первичных стабильных продуктов радиолиза воды - водорода, пероксида водорода, кислорода - и возникновение вторичных радикальных продуктов. Если разрушается один из продуктов радиолиза, например,Н + ОН Н2О , или Н2 + ОН Н + Н2О, Н2О2 + егидр ОН- + ОН , то говорят об "обратных" реакциях. Таким образом, основными первичными продуктами радиолиза воды являются .ОН, .Н и гидратированные электроны. Следствием их взаимодействия становится образование Н2О2, а позднее и НО2., представляющего собой протонированную форму супероксидного анион-радикала. В случае малых доз образующиеся первичные радикалы обладают малой возможностью взаимодействия друг с другом, и основными продуктами радиолиза становятся гидратированные электроны и .ОН. Непосредственное образование гидроксильного радикала без промежуточных других АФК является критическим для организма. Крайняя реакционная способность данного радикала, его короткое время жизни (порядка 10-9 с) и отсутствие специализированных антиоксидантов обуславливают особую уязвимость организма перед этой АФК. .ОН окисляет любые органические молекулы, расположенные вблизи места его образования и является основным инициатором радикальных окислительных процессов. Радиолиз органических соединений также приводит к непосредственному образованию органических радикалов и зарождению цепей окисления. Таким образом, основной эффект низкоинтенсивной ионизирующей радиации реализуется через активацию окислительных процессов. В структурно-метаболической теории А.М. Кузина (1986), а также в концепции «мембранного механизма биологического действия малых доз, активно развиваемой группой Л.Х Эйдуса (2001) приводятся многочисленные доказательства того, что в отличие от больших доз, первичной мишенью малых считается не ДНК, а клеточные мембраны. Причем многие исследования показали, что помимо АФК, образующихся в результате радиолиза воды при воздействии радиации в малых дозах клетка начинает продуцировать собственные АФК, в частности, супероксид. Существует двоякое представление о роли супероксидного анион-радикала в развитии стрессовой реакции: с одной стороны он может являться просто побочным продуктом функционирования окислительных систем, своеобразным «метаболическим шумом», но может выполнять и позитивную функцию. Например, была показана центральная роль супероксидного радикала в защите субклеточных структур мононуклеарных лейкоцитов от АФК, образуемых ионизирующей радиацией, за счет активирования антиоксидантной системы. При облучении растений в определенном интервале малых доз радиации, также обнаружена продукция супероксида на мембранах хлоропластов, что имело адаптирующую роль, подготавливая клетку к возможному более серьезному воздействию впоследствии (в частности к воздействию теплового шока). Адаптирующая роль образуемых клеткой АФК обеспечивается слаженной работой систем антиоксидантных ферментов. Антиоксиданты могут обеспечивать сигнальную функцию АФК, с одной стороны, поддерживая их образование, с другой стороны, сдерживая их деструктивную окислительную активность. Например, показано, что повышенная концентрация супероксидного анион-радикала в среде может ингибировать активность аскорбатпероксидазы. В то же время пероксид водорода способен активировать СОД, однако этот эффект имеет колоколообразную зависимость, и избыток Н2О2 может обуславливать неспецифическую пероксидазную активность СОД. Пероксид водорода в этом случае восстанавливает Cu2+, что ведет к инактивации фермента и может обусловить протекание следующих процессов: Enz-Cu (II) + H2O2 → Enz-Cu(I) + 2H+ +  ^ В результате происходит еще большая наработка супероксида. Таким образом, полученные результаты свидетельствуют в пользу регуляторной роли АФК, генерируемых самой мембраной хлоропластов в ответ на действие ионизирующей радиации. Причем этот механизм, по-видимому, имеет адаптивный эффект и включается при некотором пороговом значении воздействия (о чем свидетельствует нелинейный ответ системы в наших экспериментах). Ключевую роль в запуске этих процессов может играть супероксидный анион-радикал, образуемый посредством изменения структурно-функциональной активности мембран хлоропластов в результате облучения. 2.2. Воздействие низкоинтенсивного магнитного поля на перекисный гомеостаз клетки В окружающей среде постоянно присутствуют электромагнитные поля (ЭМП) естественного и искусственного происхождения. Основными естественными ЭМП являются атмосферное электричество, постоянное МП Земли и геомагнитные вариации, возникающие при взаимодействии земного МП с межпланетной средой. В течение нескольких последних десятилетий уровень интенсивности электромагнитного окружения возрос за счет технических устройств, генерирующих ЭМП. В процессе деятельности человека сформировался новый фактор окружающей среды — электромагнитные поля искусственного происхождения. Постоянное увеличение количества и мощности устройств, создающих при своей работе электромагнитные поля, привело к тому, что значительная часть экосистем находится под непрерывным действием магнитных полей (МП). В связи с этим обострился интерес к изучению влияния МП на человека и животных. В конце XX в. в свет вышел ряд работ, посвященных воздействию магнитных полей на всхожесть и интенсивность роста растений и накопления биомассы различных видов живых организмов. Данные, приводимые в этих работах, весьма противоречивы и лишь констатируют факты практического приложения магнитных полей. Поэтому следующим этапом в развитии магнитобиологии стало изучение метаболических перестроек в клетке и субклеточных структурах под действием магнитных полей. Однако глубинные вопросы о механизмах взаимодействия биообъектов с этим физическим фактором до сих пор остаются неизученными. Интенсивности искусственных магнитных полей как значительно превосходят интенсивность природных источников, то есть естественные поля, так и сравнимы с ней. В первом случае эффекты, вызываемые магнитным полем, связаны с энергетическим воздействием. Для второго случая характер действия остается широко обсуждаемым вопросом. Слабое низкочастотное магнитное поле является проникающим агентом внешней среды, которое одновременно влияет как на системные механизмы, так и на структурно-метаболические процессы на уровне клеток и тканей организма. Специфические сенсоры клетки, которые принимают и преобразуют внешний сигнал об изменении характеристик магнитных полей в реакцию живой системы на уровне, например, гуморальной регуляции или нервной системы, до настоящего времени не выявлены. Поэтому Международным комитетом по неионизирующему излучению совместно с Международной программой по химической безопасности ВОЗ (1993) приоритетным направлением в исследовании переменных магнитных полей было утверждено рассмотрение эффектов, опосредованным через взаимодействие с клеточными мембранами. В настоящее время широко обсуждается вопрос об изменении свойств биомембран, как об основном эффекте магнитных полей на живую клетку. И прежде всего эффекты магнитных полей на этом уровне могут быть связаны с разобщением свободнорадикальных процессов, протекающих на мембранах. Специализированных биологических магниторецепторов, помимо частиц биомагнетита в клетках некоторых бактерий, с помощью которого они ориентируются в магнитном поле Земли, в природе не существует, поэтому важно понять, каким путем сигнал магнитного поля трансформируется в отклик биологической системы. Известно, что постоянное МП влияет на скорость некоторых реакций с участием свободных радикалов. Некоторые классы химических реакций протекают при промежуточных состояниях электронов радикала. Взаимодействие с постоянным магнитным полем вызывает изменения спина таких электронов. Этот механизм реализуется при воздействии МП на биохимические реакции с участием частиц с неспаренными электронами (процессы переноса электронов по цепи цитохромов и сопряженные с ними реакции окислительного фосфорилирования, многие ферментативные реакции, окисление негемового железа кислородом, некоторые стадии фотосинтеза). В ряде ферментативных окислительно-восстановительных реакций эффекты магнитного поля уже обнаружены (для ферментов каталаза, глутаматдегидрогеназа, карбоксидисмутаза, сукцинатдегидрогеназа, малатдегидрогеназа, лактатдегидрогеназа). Влияние внешнего магнитного поля на реакции с участием свободных радикалов объясняется снятием спинового запрета при синглет – триплетном переходе в радикальных реакциях. Механизм спинового запрета состоит в следующем. При столкновении двух парамагнитных частиц, которыми могут быть свободные радикалы или ионы-радикалы, образуются как синглетные, так и триплетные продукты реакции. При этом если вероятности образования продуктов реакции по синглетному и по триплетному пути различаются, изменение относительной ориентации магнитных моментов неспаренных электронов, сталкивающихся во внешнем МП частиц, может привести к "переключению" путей реакции и, следовательно, к изменению выхода продуктов реакции. Этот механизм может реализоваться при влиянии МП на процессы свободнорадикального окисления липидов, снижая интенсивность свободного окисления, поскольку синглетные и триплетные состояния обладают разной реакционной способностью. Еще одной системой, где может реализоваться действие магнитного поля, являются металлсодержащие ферменты. Показано, что поле может изменять активность некоторых ферментов – каталазы, супероксиддисмутазы, глутатионредуктазы, глутатионтрансферазы. Здесь предполагается другой механизм воздействия низкоинтенсивных полей, а именно механизм параметрического резонанса, который был предложен В.В. Ледневым. По этой теории, поля, частота которых резонирует с частотой собственных колебаний ионов, могут влиять на продолжительность взаимодействия этих ионов с центрами связывания регуляторных молекул (например, кальций и кальмодулин). В результате, может изменяться скорость протекания метаболических процессов. В последнее время, в связи с усилением интереса к воздействию низкоинтенсивных магнитных полей начата работа по изучению влияния данного фактора на состояние мембран растительных клеток. К настоящему моменту получены данные о влиянии низкоинтенсивных магнитных полей на прооксидантно-антиоксидантный статус и энергетические процессы в хлоропластах. Показано, что продукция супероксидного анион-радликала в хлоропластах при воздействии низкоинтенсивных магнитных полей вызывала мобилизацию системы защиты от возможных повреждающих воздействий, ключевыми среди которых были СОД и низкомолекулярные антиоксиданты. Аналогично, низкоинтенсивные магнитные поля вызывали снижение ПОЛ и активацию ферментов антиоксидантной защиты сыворотки крови человека после применения магнитотерапевтических процедур, увеличивало интенсивность хемилюминисценции спленоцитов и клеток крови крыс. ЗАКЛЮЧЕНИЕ Слабые физические воздействия способны активировать неспецифический ответ со стороны растительной клетки, не зависимо от природы воздействия. Такая ответная реакция заключается в быстром сдвиге прооксидантно-антиоксидантного равновесия в сторону активации ПОЛ, что, однако, при условии такого же быстрого включения защитных механизмов, не приводит к развитию деструктивных процессов на мембранах. Таким образом, можно предположить сигнальную роль этих изменений. Важным звеном в активации защитных систем клетки служит продукция клеткой собственных АФК, в частности - супероксидного анион-радикала. Нелинейный и парадоксальный характер зависимости «доза-эффект» при слабых воздействиях может являться следствием наличия некоторого порога дозы, достижение которого является необходимым для запуска приспособительных к действию этих факторов реакций. В противном случае недостаточная активация защитных механизмов влечет за собой серьезное нарушение прооксидантно-антиоксидантного баланса и развитие окислительной модификации биомолекул. ЛИТЕРАТУРА
^
|
1 2
Ваша оценка этого документа будет первой.
Ваша оценка:
Похожие:
База данных защищена авторским правом ©MedZnate 2000-2019
обратиться к администрации | правообладателям | пользователям
обратиться к администрации | правообладателям | пользователям