Лекции 26-28 Повреждения при оксидативном стрессе, защитные механизмы,

типы стрессов

факторы транскрипции, такие как NPR1 или HSFs (Heat Shock Factors)

3.

АФК-чувствительные фосфатазы

4. Редокс-регулируемые ионные каналы.

Ca2+-зависимые протеин-киназы (CDPKs)
- Кальцинеурин В-подобные белки
- НАДФН-оксидазы

CDPKs (на них воздействует

АБК и жасмоновая кислота) напрямую переводят (трансдуцируют) Ca2+-сигналы в каталитическую активность.

Кальмодулины и кальмодулин-подобные белки, кальцинеурин В-подобные белки действют как связующий элемент, передавая сигнал на регуляторный белок, например, фактор транскрипции, MAPK, серин-треонин-киназы, фосфатазы.

Только у растений

способны к лавинообразному окислению и разрушению по низкомолекулярных продуктов):

3

стадии: (1) инициации, (2) пропагации и (3) терминациии

(1) Инциация – атом водорода отрывается от липидной молекулы – это вызывается мощными радикалами, не Н2О2 и не супероксидом. Инициирующие факторы: гидроксильный радикал, алкоксильный радикал, пероксильный радикал и, возможно, гидропероксильный радикал.

Водород отнимается от метиленовой группы (-CH­2-) давая -•CH-

Фосфолипиды – главная мишень – они имеют ослабленную двойную связь.

пероксильный радикал (LOO•), который способен отнимать H+ от соседней жирной

кислоты и продуцировать липидный гидропероксид (LOOH) и другой L•.

Это дает начало (2) пропагации:
LOOH претерпевает «восстановительный разрыв» под действием восст. переходного металла (Fe2+ или Cu+) и формирует липидный алкоксильный радикал (LO•), который также реагирует с ЖК, отнимая у них H+ и формируя новый L•.

Другой механизм – прямая реакция синглетного кислорода с двойной связью липида, дающая сразу LOOH.

Но и сам синглетный кислород может продуцироваться при гидроперексином окислении липидов – при реакции двух молекул липидный пероксильного радикала (LOO•).

низкомолекулярных продуктов (т.н. продуктов гидроперекисного окисления липидов) – это токсичные

и реакционно-активные вещества, такие как:

- малоновый диальдегид
- 4-гидрокси-2-ноненал
- 4-гидрокси-2-гексенал
- акролеин

Stadtman, 1997; Shacter 2000; Stadtman and Levine, 2000; Cecarini et

al., 2007; Avery, 2011).

Stadtman, 1997; Shacter 2000; Stadtman and Levine, 2000; Cecarini et

al., 2007; Avery, 2011).

окисление серусодержащих аминокислот: цистеина, метионина
(см. ранее приведенную Таблицу)
В

целом считается имеющим низкий повреждающий потенциал

Окисление цистеина обратимо под действием ферментативных систем (тиоредоксин и глутаредоксин). Приводит к оратимым, т.е. имеющим регуляторный характер, изменениям функций белка и клетки.

Окисление метионина часто обратимо, но в большинстве случаев не имеет регуляторной роли и не проявляется в модификации функций белка.

(C=O)

Вторая по встречаемости реакция оксидативного повреждения белков при стрессе.

Требует большей

энергии, чем реакции АФК с серусодержащими аминокислотами.

Вызывает серьезные повреждения, имеющие более продолжительный патофизиологический характер по сравнению с эффектами АФК на Мет и Цис.

Бради с 2,4-динитрофенилгидразином (в тесте образуются динтрофенилгидразон с яркой оранжево-красной

или желтой окраской).

Большинство аминокислот каррбонилируются в присутствии наиболее активных АФК. Но первичными мишенями карбонилирования считаются боковые цепи лизина, треонина, аргинина и пролина.


Ранее считалось, что карбонилирование
необратимо. Сейчас показано, что некоторые
факторы транкрипции карбонируются
обратимо .

Arabidopsis seeds.
Job C et al. Plant Physiol. 2005;138:790-802
©2005 by

American Society of Plant Biologists

действием нитрозативного стресса.

Механизм:
NO• реагирует с O2•- и дает пероксинитрит,

являющийся мощным окислителем, вызывающим нитрозилирование.

нитротиол

проявляющие антиоксидантные свойства.
Это показывает, что они способны реагировать с

АФК.
Например, по отношению к связыванию (детоксификации ) •OH сахара можно расположить в следующем порядке: мальтоза > сахароза > фруктоза > глюкоза > деоксирибоза > сорбитол (Morelli et al., 2003). Есть факты, показывающие, что моносахара контролируют уровень оксидативного стресса у растений.

Тем не менее пока кроме формиатов не изучены продукты метаболизма окисления сахаров! Формиаты считаются основными продуктами оксидативного повреждения сахаров:

CH3(HCOO): метилформиат (метиловый эфир муравьиной кислоты);
HCOONa: формиат натрия (натрий муравьинокислый);
CH3CH2(HCOO): этилформиат;
NH4HCO2: формиат аммония;
C7H16O3: триэтилортоформиат.

рака не актуальна. Тем не менее сильное повреждение ДНК и

РНК вызывает преждевременное старение семян и смерть растений.

Классически выделяют три типа повреждения ДНК/РНК, которые связаны с оксидативным стрессом у растений:

1 - ошибочное спаривание нуклеотидов
2 – разрыв обоих цепей
3 – химическая модификация оснований

Гидроксильные радикалы считаются главным повреждающим фактором для полинуклеиновых кислот при стрессах:
- присоединяются к двойным связям оснований нуклеотидов
- оксиляют гуанин до 8-оксо-7,8-дигидрогуанина (8-oxoG) и 2,6-диамино-4-гидрокси-5-формамидопиримидина (FapyG) (Cooke et al., 2003; Wang et al., 2010)
- отнимают H+ связей C-H 2'-деоксирибозы и метильной группы Тимина

антиоксиданты (обычно отличающиеся высокой специфичностью к определенным АФК):

Цитоплазматическая Cu-Zn-SOD –

(SOD – супероксиддисмутаза)
Митохондриальная Mn-SOD
Хлоропластная Fe-SOD

Все SOD катализируют следующие реакции:
Суперокид + 2H+ → H2O2 + O2

Каталазы (сейчас считается, что локализованы почти во всех органеллах, даже в ядрах) : 2H2O2 → 2H2O + O2

Пероксидазы (во всех органеллах и снаружи клетки, много форм):
R/HOOH + R-H2 → R + 2H2O/ROH

Пероксиредоксины: ROOH → ROH
Тиоредоксины и глутаредоксины: R-S-S-R → 2R-SH

антиоксиданты (обычно отличающиеся невысокой специфичностью к определенным АФК):

аскорбиновая кислота

восстановленный глутатион
пролин
полиамины (основные: путресцин, спермидин, спермин)
бетаин
каротены
некоторые флавоноиды
α-токоферол


Эти вещества часто рассматривают как основные регуляторы стрессовых реакций у растений.

функциональном состоянии. Часто это восстановленное состояние.

А – восстановители аскорбата и

глутатиона:
монодегидроаскорбат-редуктаза
дегидроаскорбат-редуктаза
тиоредоксин-редуктаза
глутатион-редуктаза
глутатион-S-трансфераза

Б – вещества, связывающие переходные металлы:
металлотионеины (короткие Цис-обогащенные пептиды)
фитохелатины (олигомеры глутатиона)
пектины
ксилоглюканы

Данная группа также считается ключевыми регуляторами реакций стресса.

сейчас часто относят с четвертому классу пероксидаз.

Все три класса

имеют схожий гем в виде протопорфирина IX, трехвалентное железо и схожую 3D-структуру, однако между классами существует большое отличие по последовательности, механизму функционирования и физиологической значимости.

Класс I включает внутриклеточные пероксидазы, которые не существуют у животных, но присутствуют у бактерий. Считаются эволюционным «ориджином» для других типов пероксидаз.

Класс I детоксифицирует эндогенную H2O2 (восстанавлиявая ее до O2 and H2O) и подразделен на три группы: аскорбат-пероксидазы, каталазо-пероксидазы и цитохром-c-пероксидазы.

каталазо-пероксидазы и цитохром-c-пероксидазы.

Аскорбат-пероксидаза (APX) – ключевой фермент доксификации H2O2

в хлоропластах, пероксисомах и цитозоли. Экспрессия APX усиливуется при практически любом стрессовм воздействии. Сверх-экпрессия APX – один из немногих доказанных путей повышения стрессоустойчивости.

Цитохром-c-пероксидазы – водорастворимые ферменты митохондриального внутримембранного пространства, которые принимают электрон от цитохрома с и передают его H2O2, восстанавливая последнюю.

Каталазо-пероксидаза – двухфункциональных фермент, работающий как каталаза и пероксидаза (с различным субстратом).

включает марганец-пероксидазы, лигнин-пероксидазы, и так-называемые версатильные пероксидазы – они отвечают

за разложение древесины.

Класс III пероксидаз – обильный мультигенный класс (73 представителя у Arabidopsis thaliana).

В большинстве случаев ферменты секретируются во внеклеточное пространство и представлены свободно в апопласте или чаще связаны с клеточной стенкой.

2 типа реакций – первый цикл - “пероксидативный цикл” – восстанавливают H2O2, забирая электроны от молекул лигнина, ауксина, полифенолов, др. вторичных метаболитов.)
Второй циул - “гидроксилитический цикл”, в котором идет генерация супероксида и гидроксильных радикалов.

процессов для высвобождения энергии

активация ионных транспортеров

синтез осмопротекторов

синтез

антиоксидантов всех типов и веществ, связывающий (хелатирующих) переходные металлы

перестройка факторов сигнальной трансдукции

перестройка систем репарации белков и др. компонентов клетки

адаптация на уровне генетических программ

при высоких уровнях засоления (солянки, ежовники, полыни, бессмертники, тамариск и

др.).

Распространены на морских побережьях, пустынях, полупустынях, степях на солонцах и солончаках (замоленные почвы). Нередко имеют толстые суккулентные стебли и листья, что способствует сохранению влаги. Обычно характеризуются высоким осмотическим давлением клеточного сока в клетках и тканях, что позволяет им поглощать воду из концентрированных растворов.

сигнала засоления через АФК - Ca2+

3. Активация кальцием SOS3 –

Са2+-связывающего белка

4. Активацяи SOS2 (протеин-киназы) – напрямую под действием прямого физического взаимодействия с SOS3

5. Фосфоролирование и активация SOS1, которая является Na+/H+-антипортером.