ФИЗИОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ, 2012, том 59, № 2, с. 163-178
ОБЗОРЫ
УДК 581.1
СИГНАЛЬНАЯ РОЛЬ АКТИВНЫХ ФОРМ КИСЛОРОДА ПРИ СТРЕССЕ
У РАСТЕНИЙ
© 2012 г. В. Д. Креславский*, Д. А. Лось**, С. И. Аллахвердиев***, Вл. В. Кузнецов**
*Учреждение Российской академии наук Институт фундаментальных проблем биологии РАН,
Пущино, Московская обл.
**Учреждение Российской академии наук Институт физиологии растений им. К.А. Тимирязева РАН, Москва
Поступила в редакцию 23.07.2011 г.
В обзоре рассмотрена роль Н202, 102, — и продуктов перекисного окисления липидов в качестве
сигнальных молекул в процессах трансдукции стрессорного сигнала в растениях. Проанализированы данные о возможном участии активных форм кислорода (АФК) в передаче стрессорного сигнала из хлоропластов в ядерный геном, об участии Н2О2 в передаче стрессорных сигналов у цианобактерий, а также о путях взаимодействия АФК с другими системами клеточной сигнализации. Предполагается, что редокс-регуляторы растительной клетки, протеинкиназы/протеинфосфатазы и факторы транскрипции играют главную роль в функционировании АФК-зависимых сигнальных систем.
Ключевые слова:растения - активные формы кислорода - стресс - сигнальные системы - хлоропласт
ВВЕДЕНИЕ
Растениям и цианобактериям для нормальной жизнедеятельности необходимы свет и кислород. В процессе метаболизма в растениях образуются активные формы кислорода (АФК), а также азота и серы [1], при этом неблагоприятные (стрессовые) условия вызывают смещение баланса окси-дантов/антиоксидантов в сторону оксидантов, что и является причиной внутреннего окислительного стресса (ОС). Размер пула активных форм кислорода зависит от относительных скоростей образования и деструкции АФК и от времени жизни их основных форм. Активность анти-оксидантных ферментов - супероксиддисмутазы (СОД), каталазы, пероксидазы и ряда других, а также содержание низкомолекулярных антиок-сидантов, таких, например, как аскорбиновая кислота, глутатион, токоферолы, каротиноиды, антоцианы, - играет ключевую роль в регуляции уровня АФК и продуктов перекисного окисления липидов (ПОЛ) в клетке [2].
Растения произрастают в постоянно меняющихся условиях внешней среды и подвергаются действию различных стрессоров. В процессе эво-
Сокращения: ИФ3 — инозит-1,4,5-трифосфат; МАПК — ми-тоген-активируемая протеинкиназа; ОС - окислительный стресс; ПНЖК — полиненасыщенные жирные кислоты; РЦ — реакционный центр; СОД - супероксиддисмутаза; PQ — пластохиноновый пул.
Адрес для корреспонденции: Креславский Владимир Данилович. 142290 Пущино, Институтская ул., 2. Институт фундаментальных проблем биологии РАН. Электронная почта: vkreslav@rambler.ru
люции растения сформировали различные механизмы адаптации, в том числе, различные регуля-торные пути преодоления ОС, вызванного действием неблагоприятных факторов окружающей среды.
К таким защитным механизмам относятся снижение скорости генерации АФК, повышение скорости нейтрализации АФК и ускорение процессов восстановления поврежденных клеточных структур, усиление тепловой диссипации поглощенной растением энергии и некоторые другие. Необходимо также отметить, что помимо АФК в развитии окислительных процессов в клетке существенную роль играют активные формы азота и серы.
Исследования действия и роли АФК в растениях имеют длинную историю. Одним из ключевых моментов этих исследований было обнаружение образования супероксид-аниона и перекиси водорода в процессе псевдоциклического транспорта электрона (в реакции Мелера), приводящего не к восстановлению НАДФ+, а к поглощению О2 [3]. Еще одним важным моментом явилось выявление участия АФК в гормональной регуляции экспрессии генов защиты от стресса, вызванного патогенной инфекцией [4]. Кроме того, было показано, что активация редокс-систем плазмалем-мы и усиленное образование в апопласте АФК является одной из универсальных реакций растительных клеток на стресс [5, 6]. В последнее время АФК все больше рассматриваются в качестве важнейших сигнальных молекул, вовлеченных в передачу внутриклеточных сигналов, регулирую-
щих экспрессию генов и активность стресс-протекторных систем [2, 7-11].
Эти функции АФК выполняют не только сами по себе. Имеется также немало продуктов метаболизма, образование которых инициируется активным кислородом. Особое место среди эффектов АФК занимает инициация ПОЛ. Сигнальная функция АФК и продуктов ПОЛ реализуется через регуляцию кальциевого статуса клеток, путем прямого или опосредствованного влияния на поступление ионов Са2+ как вторичного мессендже-ра в цитозоль [9, 12], гормональную сигнализацию [1, 12], МАП-киназную активность [13], а также сигнализацию с участием редокс-сигналь-ных систем [14, 15] и факторов транскрипции [15]. АФК регулируют процессы полярного роста, активность устьиц, светоиндуцированное движение хлоропластов и ответы растений на действие биотических и абиотических факторов среды [1, 16-19].
Считается, что реализация сигнальной функции АФК может осуществляться через изменение потенциала редокс-чувствительных клеточных систем, через регуляцию процессов фосфорили-рования/дефосфорилирования сигнальных белков (факторы транскрипции и др.), через регуляцию уровня вторичных мессенджеров, таких как Са2+, салициловая кислота, N0 [1, 2, 10, 13, 15], и, наконец, через изменение антиоксидантной активности в клетке.
В то же время, в представлениях о сигнальной роли АФК до сих пор существуют серьезные пробелы. Сенсор(ы) Н2О2, а также пути передачи информации об изменении уровня АФК из ядра в хлоропласт и обратно, остаются неизвестными. Отсутствует информация о конкретных генах, участвующих в преобразовании сигнала о повышении внутриклеточного уровня АФК в биохимический ответ клетки. Остается также неизвестным, какие именно АФК играют сигнальную роль в хлоропласте и других компартментах клетки и как реагируют различные сигнальные пути на повышение уровня различных типов АФК? Знание механизмов регуляции этих сигнальных путей может помочь разработке способов защиты клеток от негативного воздействия избыточных количеств АФК.
ГЕНЕРАЦИЯ И НЕЙТРАЛИЗАЦИЯ АФК
В оптимальных условиях АФК продуцируются на низком уровне, главным образом, в хлоропла-стах, митохондриях и пероксисомах. В условиях стресса их образование может резко увеличиться и ингибировать защитные системы организма [7]. Быстрая транзиторная генерация АФК называется "окислительным взрывом"; в этом случае их максимальное содержание достигается в течение
короткого периода времени, продолжительностью от нескольких минут до нескольких часов.
Причины окислительного всплеска АФК в клетке могут быть разными. Одним из основных источников генерации АФК является процесс фотосинтеза. Неблагоприятные условия внешней среды ингибируют функционирование цикла Кальвина, что приводит к снижению скорости линейного фотосинтетического транспорта электронов и к перевосстановленности компонентов электрон-транспортной цепи (ЭТЦ) фотосинтеза и стромальных акцепторов электронов [3, 10, 20]. Следствием этого является развитие ОС в растении, который сопровождается образованием таких АФК, как супероксид радикал (02 ) и гид-роксил-радикал (0Н), а также синглетный кислород (1О2) и перекись водорода (Н202). Избыточное образование АФК приводит к снижению скорости транспорта электронов в ЭТЦ фотосинтеза, в результате чего активируются альтернативный псевдоциклический транспорт электронов и фотодыхание. В этих условиях сначала образуются О2 и 1О2, после чего происходит образование Н2О2 либо путем реакции диспро-порционирования супероксида с помощью СОД, либо неэнзиматическим путем в процессе диффузии супероксида с небольшим выходом реакции [20, 21]. Н2О2 восстанавливается до воды с участием аскорбатпероксидазы и аскорбата. Последний окисляется и затем регенерируется восстановленным глутатионом за счет НАДФН.
Большинство АФК чрезвычайно активны. Наиболее активная форма кислорода - это корот-коживущий чрезвычайно реакционноспособный гидроксильный радикал ОН-. Сам ОН-, вряд ли, выполняет сигнальные функции, поскольку время его жизни составляет всего 10-9 с, а радиус диффузии не превышает 100 А [22]. Наиболее долгоживущей формой АФК является Н2О2, которая также весьма реакционноспособна. Даже при концентрации в фотосинтезирующей ткани 10 мкМ перекись водорода может ингибировать фиксацию СО2 на 50%, в основном за счет окисления SH-групп ферментов цикла Кальвина [20].
При физиологических условиях концентрация Н202 обычно составляет менее 1 цМ. Фотоинду-цированная генерация АФК в основном зависит от условий внешней среды и от физиологического состояния фотосинтетического аппарата [3, 20]. Даже при высокой интенсивности света, когда поток электронов через водно-водный цикл (восстановление кислорода до воды в ФС I за счет электронов, сгенерированных в ФС II за счет фоторазложения воды) растет, добавочного накопления заметных количеств 102 и Н202 практически не наблюдается, при условии, что в клетках
имеются достаточные количества НАДФ+. При высокой интенсивности света в условиях насыщения процесса ассимиляции СО2 скорость потока электронов возрастает, что ведет к его перераспределению. Скорость потока электронов на НАДФ+ снижается, а скорость переноса электронов на молекулярный кислород (псевдоциклический транспорт электронов) возрастает [3]. Это приводит к генерации супероксидного радикала
(O2-) в ФС I, который, главным образом, образуется на ее акцепторной стороне. O^ на низком уровне образуется также в пределах пластохино-нового пула [23, 24]. Затем с помощью мембрано-
связанной Cu/Zn-СОД два радикала ( O^) быстро трансформируются в Н2О2 в реакции дисмута-ции (рис. 1) [3]. Нейтрализация Н2О2 в хлоропластах происходит с помощью мембрано-связанной тилакоидной аскорбатпероксидазы, которая катализирует восстановление Н2О2 до воды. В реакцию вовлечены также редуктаза моно-дегидроаскорбиновой кислоты, глутатионредук-таза, редуктаза дегидроаскорбиновой кислоты и ферредоксин-НАДФ+-редуктаза. Восстановление исходной молекулы кислорода, находящейся
в основном триплетном состоянии, до O2" на акцепторной стороне ФС I является первой ступенью
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.