Федеральное агентство по образованию

      Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального  образования 

Уральский государственный  университет им. А.М. Горького 
 

Биологический факультет

Кафедра физиологии и биохимии растений 
 

АКТИВНЫЕ ФОРМЫ КИСЛОРОДА 
 

                                                                                                         Курсовая работа

       студентки 3 курса

       Спицыной  Исаны Сергеевны 
 

       Научный руководитель:

       Доктор  биол. наук, доцент

       Некрасова Галина Фёдоровна 

                                        

                                          Екатеринбург, 2009

 

                                         ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение………………………………………………………………………….4

Глава 1. Действие АФК на растительную клетку…………………………….6

               1.1. АФК как нормальный биологический процесс……………….6

               1.2. АФК при стрессовых факторах………………………………...7

               1.3. Роль тяжелых металлов в окислительном стрессе…………...10

Глава 2. Образование АФК в клеточных структурах……………………....11

Глава 3. Защита и пути нейтрализации АФК………………………………..15

Глава 4. Полезные эффекты образования АФК……………………………..20

Выводы………………………………………………………………………….23

Список  литературы…………………………………………………………….24

Приложения…………………………………………………………………….26

 

                                        Список сокращений

АФК - активные формы кислорода

ОМ - оксидативная модификация

АОС - антиоксидантная система

СОД - супероксиддисмутаза

ПОЛ - перекисное окисление липидов

ЭТЦ - электрон-транспортная цепь

ЭПР - электронно-парамагнитный резонанс

ГЦ - градус цельсия

ГПО - глутатионпероксидаза

ГТ - глутатионтрансфераза 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

                                                Введение

           Основное количество О2 расходуется на выработку энергии и окислительный катаболизм субстратов.Относительно небольшая часть переходит в АФК и затем частично используется для ОМ.АФК химически очень агрессивны: они повреждают белки и ДНК и, главное, вызывают ПОЛ- самоподдерживающийся процесс, ведущий к тяжелому повреждению мембран.К АФК относятся супероксид (O2), синглетный кислород, Н2О2 и радикал гидроксила (ОН') (приложение, таблица 1.).Несмотря на постоянное внимание ученых, уделяемое разным аспектам этой проблемы, до сих пор остаются нераскрытыми некоторые вопросы:

1) какое  значение имеют АФК и ОМ макромолекул - это просто утечка с главного пути использования О2 или важные процессы, но тогда они полезны или вредны;

2) как  осуществляется мощный метаболизм  АФК и активных окисленных  молекул и почему это нужно? (Полесская О.Г., 2007; Кулинский В.И., 1999)

     Актуальность этой проблемы возрастает в связи с чрезвычайно интересной двойственной ролью АФК в метаболизме растительной клетки.С одной стороны, АФК являются опасными окислителями, которые образуются как побочные продукты в результате тех или иных сбоев в нормальном метаболизме.С другой стороны, клетка имеет ферментные системы, которые специально образуют АФК, что позволяет под контролем повышать уровень опасных молекул (Полесская О.Г., 2007).

     Для принятия обоснованных решений  в физиологии и молекулярной биологии растений, необходимы точные представления о закономерностях воздействия АФК на растения.Анализ значения АФК и ОМ для жизнедеятельности растений должен опираться на знания о механизмах образования и ликвидации АФК в клетке, а также участия АФК в ответных реакциях растений при различных абиотических стрессах.

     Важное значение приобретают АФК в индукции программируемой клеточной смерти и в регуляции некоторых физиологических процессов, которые находятся под гормональным контролем.Особого внимания заслуживает развитие окислительного стресса в результате резкого увеличения концентрации АФК при неблагоприятных условиях (Полесская О.Г., 2007).

     Образование избытка кислородных  радикалов - большая проблема, для решения которой необходимо полное представление о роли АФК в организме.

     Цель данной работы – анализ  и обобщение литературы по  АФК для использования полученных  знаний в практической деятельности.

     Задачи:

- Изучить  влияние АФК на растения;

- Показать  роль АФК;

- Изучить процессы образования АФК в клетке и отдельных компартментах;

- Изучить  механизмы защиты клеток от  АФК;

- Изучить  влияние тяжелых металлов на  продукцию АФК;

- Показать  пути ликвидации АФК в клетке.

      
 
 
 
 
 
 
 

            Глава 1. Действие АФК на растительную клетку

     Действие АФК на клетку включает в себя следующие аспекты:

- стимуляция  митоза;

- блокирование  межклеточных коммуникаций, препятствующее апоптозу;

- освобождение  из ферритина ионов железа, катализирующих  образование гидроксирадикалов;

- высвобождение  свободной арахидоновой кислоты  из мембраны с последующим  ее метаболизмом на цитохроме  Р-450 с образованием высокоактивных  метаболитов (Кулинский В.И., 1999).

1. АФК как нормальный биологический процесс

     АФК вызывают в липидах (L), в основном в остатках полиненасыщенных жирных кислот, цепные реакции с накоплением липидных радикалов L’, пероксилов LOO’, гидропероксидов LOOH и алкоксилов LO’:

 

         +HO’       +O2             +LH

LH                 L’          LOO’            L’            …

         -H2O                          +Fe2+           +LH

                                   LOOH             LO’                 L’               …

                                              -Fe3+         -LOH

                                              -HO- 

     Первые три реакции - это инициация и продолжение цепи, а реакция LOOH c Fe2+ создает ее разветвление. Далее образуются диеновые конъюгаты, а затем минорные метаболиты: малоновый диальдегид, этан, пентан и др. (Владимиров Ю.А. и др., 1991; Владимиров Ю.А. и др., 1972). На протяжении многих лет ПОЛ считали преимущественно спонтанным (неферментативным) и неспецифическим самоускоряющимся процессом и ему придавали ведущее значение в ОМ и ее последствиях.  
 

Однако  затем стало ясно, что:

1) огромное  значение имеют и ферментативные реакции, катализируемые липоксигеназами (Ланкин В.З., 1984) и циклооксигеназами - первыми ферментами путей, приводящих к образованию специфических регуляторов – эйкозаноидов (Варфоломеев С.Д., 1996; Кулинский В.И., 1994; Сала А. и др., 1998);

2) в  организме главными продуктами  ПОЛ являются 4-гидроксиалкенали  типа С5Н9-СНОН-СН=СН-СНО, то есть  снова специфические вещества;

3) большое  значение имеет ОМ и других  макромолекул - ДНК и белков, усиленно  изучаемая в 90-е годы (Wiseman H. et al., 1996; Dean R.T.,et al., 1997).

     АФК вызывают ОМ нуклеотидов и нуклеиновых кислот, особенно ДНК. Это приводит к гидропероксидам ROOH (так, из тимина образуется 5-СН2ООН-урацил), а затем к гидроксипроизводным ROH или R(OH)2 , основными из которых являются 8-ОН-2'-дезоксигуанозин и тимингликоль (Wiseman H. et al., 1996). ОМ белков также вызывает образование в организме ROOH, а затем ROH (o- и m-тирозины), R(OH)2 (ДОФА), карбонилов и других окисленных производных; образуются и димеры (дитирозины); происходит также аутооксидативное гликозилирование белков (Dean R.T. et al., 1997).

1.2. АФК при стрессовых  факторах 

     Стрессы разной природы (абиотические-засуха,засоление, экстремальные температуры и биотические-болезни растений, нападение насекомых-вредителей) интегрируются в растительной клетке таким образом, что провоцируют сверхпродукцию АФК и развитие окислительного стресса, при котором механизмы образования, и, главное, роль АФК существенно отличаются от бесконтрольного образования АФК в результате сбоев в метаболизме, спровоцированных абиотическими стрессовыми факторами.

Существуют  симптомы и общепринятые тесты, характеризующие  степень окислительного стресса  в растительных клетках. Для определения интенсивности образования супероксидрадикала используется метод ЭПР или биохимические тесты. Показателем окислительного стресса может служить содержание в клетках перекиси как наиболее стабильного АФК. Часто степень окислительных повреждений оценивают по накоплению в растительных тканях малонового диальдегида (Полесская О.Г., 2007).

     В листьях симптомами и показателями окислительного стресса могут служить нарушения в работе фотосинтетического аппарата, эффект фотоингибирования, связанный со снижением скорости фотосинтеза, разрушение хлорофилла (Полесская О.Г., 2007).

     Практически при всех абиотических  стрессах наблюдается интенсивное образование АФК в хлоропласте, митохондриях, пероксисомах апопласте. При продолжительном действии на растение стрессовых факторов уровень АФК повышается во многих компартментах, в клетке накапливается перекись, и окислительный стресс охватывает всю клетку. На начальных этапах действия стресса иногда удается зафиксировать, что  образование АФК начинается в одном из компартментов. Очень часто причиной развития окислительного стресса являются именно те факторы, которые провоцируют дисбаланс между поглощением световой энергии и возможностью ее реализации. Когда растение сталкивается с водным дефицитом, всегда происходит закрытие устьиц и ограничение фиксации СО2. Это способствует генерации синглетного кислорода в антенных комплексах, а также-супероксидрадикала в ЭТЦ (Полесская О.Г., 2007).

     Окислительный стресс в листьях  могут вызывать и высокие концентрации  солей. При этом, высокий уровень АФК наблюдается как в хлоропластах, так и в других компартментах (Hernandez et al., 1993; Meloni et al., 2003; Mittova et al., 2003).

     У гороха при засолении образование супероксидрадикала усиливается в пероксисомах и митохондриях листьев, а содержание митохондриальной Mn-СОД снижается (Hernandez et al., 1993).

     Окислительный стресс может быть спровоцирован низкими положительными температурами (+4…+5 ГЦ), особенно на фоне относительно высокой интенсивности света. При низких температурах накопление перекиси наблюдается как в хлоропластах, так и в митохондриях (Полесская О.Г., 2007).

     Окислительный стресс может быть  вызван атмосферными вещестами,  наиболее опасным из которых  является озон. При повышенном уровне О3 в атмосфере на листьях чувствительных растений (табак, хвойные) появляются некрозы. Озон проникает внутрь листа через устьица и, реагируя с водой и компанентами клеточных стенок, провоцирует образование в апопласте синглетного кислорода, супероксидрадикала, Н2О2 и, вероятно, гидроксилрадикала. Предполагается, что образованные в апопласте АФК повреждают плазмалемму, в результате чего возникают повреждения, провоцирующие образование АФК уже внутри клеток. Вслед за окислительным взрывом в апопласте сверхгенерация АФК начинается в клетке, главным образом в хлоропластах. Поэтому вызванные озоном повреждения листьев проявляются в первую очередь в дезорганизации фотосистемы II, снижении активности и экспрессии Рубиско, деградации хлорофилла (Полесская О.Г., 2007).