ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Токсические эффекты молекулярного кислорода и его производных из "Микробиология Издание 4" Как фактор внещней среды О2 воздействует на современные прокариотные организмы двояко с одной стороны, он может быть абсолютно необходимым, с другой — с молекулярным кислородом и его производными связаны токсические эффекты для клеток. [c.328] Молекулярный кислород. Существует ряд гипотез, объясняющих чувствительность прокариот к О2. Согласно одной из них молекулярный кислород сам является токсическим соединением, агрессивное действие которого связано со способностью окислять клеточные метаболиты, необходимые для функционирования в восстановленном состоянии. Токсический эффект О2 зависит от условий, при которых происходит взаимодействие с ним организмов концентрации растворенного О2, длительности экспозиции, состава окружающей среды. [c.328] Токсичность молекулярного кислорода, например, может быть следствием активного акцептирования им электронов с растворимых переносчиков, функционирующих в процессах брожения, что будет приводить к истощению внутриклеточного пула восстановленных доноров электронов, необходимых для биосинтезов. Действительно, было обнаружено, что активность растворимых флавопротеинов, способных функционировать как НАД(Ф) Н2-оксидазы, повышалась в 5 —6 раз при выращивании lostridium a etobutyli um в аэробных условиях сравнительно с анаэробными. Сдвиг под влиянием О2 электронных переносчиков в сторону их преимущественного нахождения в окисленном состоянии приводил к подавлению роста и изменению выхода продуктов брожения прекращению синтеза масляной кислоты и накоплению более окисленного продукта — уксусной кислоты. [c.328] Наконец, для проявления токсического эффекта О2 вполне достаточно окисления им какого-либо одного ключевого метаболита или фермента, приводящего к их инактивации. Известны три ферментные системы прокариот, особо чувствительные к молекулярному кислороду нитрогеназа, гидрогеназа и рибулозодифосфаткарбоксилаза. [c.328] Нитрогеназная система, катализирующая фиксацию молекулярного азота, как известно, состоит из двух металлопро-теинов белка, содержащего железо и молибден, и белка, в состав которого входит только железо. Каждый белок необходим для проявления каталитической активности. Молекулярный кислород оказывает повреждающее действие на оба белка нитрогеназы, но более чувствителен к О2 Ре-белок. [c.329] Чувствительность белков нитрогеназы к О2 определяется прежде всего чувствительностью их металлоцентров, которые участвуют как в связывании субстрата, так и в переносе электронов. Поскольку при этом может происходить и ступенчатое восстановление Oj по одноэлектронному механизму, в качестве продуктов такого восстановления возникают супероксидные ионы, перекись водорода и синглетный кислород, вносящие свой вклад в окислительное повреждение нитрогеназы. [c.329] Гидрогеназы многих прокариот также обнаруживают высокую чувствительность к молекулярному кислороду, которая in vitro в большой мере зависит от метода вьщеления и степени очистки. Как правило, более устойчивы к Oj неочищенные ферментные препараты. По сравнению с мембрансвязанным ферментом устойчивость к О2 гидрогеназы, отделенной от мембраны, обычно ниже. Фермент, полученный из клеток анаэробов, более чувствителен к О2, чем вьщеленный из клеток аэробных прокариот. [c.329] У больщинства прокариот имеются ферменты, катализирующие реакции одновременного переноса 4 электронов на О2, при которых не обнаружено каких-либо промежуточных продуктов восстановления Оз. Это цитохромоксидазы и некоторые медьсодержащие ферменты. Возможно, что в этих реакциях и возникают короткоживущие продукты неполного восстановления О2, но они остаются связанными с ферментами, не выходят в цитоплазму и практически не наносят вреда клетке. [c.330] В последнее время признание получила точка зрения, согласно которой основную опасность для организмов представляют продукты, образующиеся при одноэлектронном восстановлении молекулы О2, одним из которых является супероксидный анион. [c.330] Опасность любых реакционно активных соединений в значительной степени зависит от их стабильности. В этом плане ионы О2 весьма опасны, так как время их жизни в водной среде продолжительнее, чем у остальных Ог-производных радикалов. Поэтому экзогенно возникшие О могут проникать в клетку и (наряду с эндогенными) участвовать в реакциях, приводящих к различным повреждениям перекисном окислении ненасыщенных жирных кислот, окислении 8Н-групп белков, повреждении ДНК и др. Токсичность супероксидных анионов может увеличиваться за счет вторичных реакций, ведущих к образованию гидроксидных радикалов (0Н ) и синглетного кислорода ( 02). [c.331] Различия между обеими реакциями в их скоростях (скорость ферментативной реакции приблизительно на четыре порядка выше, чем спонтанной), а также в том, что при спонтанной реакции дисмутации одним из первоначально возникающих продуктов является синглетный кислород, в то время как при ферментативной реакции образующийся кислород находится в основном триплет-ном состоянии. [c.331] Помимо указанных выше реакций гидроксидные радикалы образуются также при радиолизе воды и в низких концентрациях обычно присутствуют в водных растворах. ОН из всех известных окислителей является самым сильным, вызывающим радиационные повреждения многих типов биополимеров. [c.331] Катализировать перенос 2 электронов на Oj могут содержащиеся в клетках прокариот оксидазы флавиновой природы и некоторые цитохромы. Источником Н2О2 могут быть реакции автоокисления некоторых негемовых FeS-белков, а также описанные вьше реакции дисмутации супероксидных радикалов (реакции 3 и 4). Перекись водорода образуется у всех аэробов и факультативных анаэробов, растущих в аэробных условиях, так что ее возникновение в клетках прокариот — естественный процесс. [c.332] Перекись водорода — наиболее стабильный из промежуточных продуктов восстановления О2, но и наименее реакционноспособный. У большинства аэробных прокариот Н2О2 быстро разлагается с помощью гемсодержащих ферментов каталазы и пероксидазы. В отсутствие их Н2О2 может накапливаться в летальных для организма концентрациях. [c.332] В 20-х гг. XX в. большой популярностью пользовалась теория, объясняющая токсичность О2 накоплением в клетке перекиси водорода. Однако позднее были обнаружены более токсичные для клетки формы О2 среди первичных и вторичных продуктов его одноэлектронного восстановления (С , ОН, 02). [c.332] 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 и фикобилипротеины. Окисление биологически важных молекул под влиянием видимого света в присутствии молекулярного кислорода и фотосенсибилизатора получило название фотодинами-ческого эффекта. [c.333] Фотодинамический эффект обнаружен у всех 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 (метионина, гистидина, триптофана и др.), нуклеозидов, липидов, полисахаридов и других клеточных компонентов. [c.333] Вернуться к основной статье