Физиолого-биохимические реакции. 
Экологическая токсикология

Реакция на действие стрессовых факторов носит неспецифический характер. Высокие и низкие температуры, засоление, соединения мышьяка, спирта, радиация высокой энергии, тяжелые металлы приводят к таким конформационным изменениям белков-ферментов, которые нарушают окислительное фосфорилирование и влекут за собой нарушение обменных реакций (нуклеинового и водного обмена). К главным факторам токсического действия тяжелых металлов относится повреждение ферментативной системы. Повышение активности антиоксидантных ферментов и синтез антиоксиданта глутатиона, синтез пролина и полиаминов, изменение баланса фитогормонов, выработка металлоустойчивых ферментов — все это механизмы адаптации растений к тяжелым металлам (Барсукова, 1997; Игошина и др., 1990; Распределение…, 2003; Сох et al., 1980; Meharg, 2005).

Известно, что тяжелые металлы вызывают образование активных форм кислорода (АФК), окислительный стресс в клетках, денатурацию белков, повреждение нуклеиновых кислот, перекисное окисление липидов (ПОЛ). Повышенный уровень липопероксидации наблюдается как при кратковременном, так и при хроническом действии тяжелых металлов. В настоящее время существуют данные, свидетельствующие, что увеличение интенсивности ПОЛ при стрессе является не только следствием нарушения гомеостаза, но и представляет собой компонент адаптационного процесса (Ерофеева и др., 2008; Selective and Powerful Stress…, 2004).

Реакция растительных организмов.

Важную роль в защите от негативного воздействия свободных радикалов и в адаптации растений к действию техногенных загрязнителей играют ферменты антиоксидантной защиты и низкомолекулярные антиоксиданты. В качестве универсального стресс-протекторного соединения у высших растений выступает пролин, обладающий полифункциональным биологическим эффектом, в том числе, вероятно, и антиоксидантным (Кузнецов и др., 1999). Ключевым ферментом, защищающим клетку от АФК, служит супероксиддисмутаза (СОД), превращающая супероксид-анион-радикал в пероксид. Согласно имеющимся данным (Веселова и др., 2001; Карташов и др., 2008) многие воздействия, приводящие к увеличению в клетке концентрации АФК, вызывают активацию СОД. От образовавшейся в результате восстановления супероксида перекиси водорода клетку защищает фермент пероксидаза, разлагающая пероксид с образованием молекулярного кислорода и воды.

Механизмы антиоксидантной защиты у растений при стрессе, вызванном тяжелыми металлами, могут включать различные компоненты: низкомолекулярные антиоксиданты, такие, как, например, пролин, аскорбат, антоцианы и другие, и ферменты, обеспечивающие «гашение» активных форм кислорода (супероксиддисмутазы, пероксидазы, каталаза). Соотношение в клетках растений уровня ПОЛ и активности антиоксидантной системы, в частности их сбалансированность, является необходимым условием для поддержания нормальной жизнедеятельности клетки (Курганова, 2001).

Как правило, механизмы антиоксидантной защиты у растений из загрязненных местообитаний бывают выражены лучше, чем у особей с относительно чистых территорий (Фазлиева и др., 2012). Так, в листьях донника белого (Melilotus albus) и клевера среднего (Trifolium medium) из биотопов фоновой зоны после кратковременного воздействия 10 мМ CuS0₄ было отмечено возрастание интенсивности перекисного окисления липидов по сравнению с контрольным вариантом (вариант с Н₂0) (р < 0,05) (рис. 6.1). Усиление перикисного окисления липидов у растений из местообитаний с высокой техногенной нагрузкой было выражено в меньшей степени. Следовательно, при стрессе степень повреждения мембран была меньше в листьях растений из загрязненных зон в сравнении с фоновой.

Рис. 6.7. Активность ПОЛ в листьях М. albus (а) и Т. medium (б) из местообитаний с разным уровнем техногенной нагрузки в норме и при стрессе (по: Фазлиева и др., 2012):

1 — контроль (Н₂0); 2 — опыт (10 мМ CuS0₄).

Для понимания причин физиолого-биохимической устойчивости растений из импактной и буферной зон к действию стрессора было изучено накопление пролина в листьях. После двухчасового воздействия Си²⁺ в листьях М. albus из фоновой зоны наблюдали незначительное уменьшение концентрации пролина, а из буферной и импактной — значимое (р < 0,05) увеличение по сравнению с контрольным (рис. 6.2). У растений клевера среднего из фоновой и импактной зон содержание пролина при медь-индуцированном стрессе практически не менялось и лишь незначительно возрастало у растений из буферной зоны. Таким образом, пролин участвует в гашении АФК и препятствует развитию ПОЛ при стрессе.

Рис. 6.2. Содержание пролина в листьях М. albus (а) и Т. medium (б) из местообитаний с разным уровнем техногенной нагрузки в норме и при стрессе (по: Фазлиева и др., 2012):

1 — контроль (Н₂0); 2 — опыт (10 мМ CuS0₄).

Другим важным компонентом антиоксидантной системы растений являются ферменты супероксиддисмутаза (СОД) и пероксидаза. Последний выступает как окислитель пероксида водорода, образующегося в результате взаимодействия СОД с супероксид-радикалом (Курганова, 2001). Базовый уровень СОД (без дополнительного стрессового фактора) у растений из незагрязненных биотопов может быть меньше, чем из техногенно нарушенных (Фазлиева и др., 2012). При действии стрессового фактора (двухчасовое воздействия Си²⁺) активность СОД повышалась у растений со всех исследуемых участков (р < 0,05). Вероятно, возрастание активности СОД и уменьшение концентрации супероксид-анион-радикала является важным фактором быстрой защиты клетки от окислительного стресса, когда система биосинтеза пролина еще недостаточно активна, что подтверждается исследованиями других авторов (Карташов и др., 2008).

Воздействие ионов меди на листья исследуемых видов практически не привело к изменению активности пероксидазы в них, за исключением растений из буферной зоны загрязнения, у которых наблюдали снижение активности по сравнению с контролем (рис. 6.3). Возможно, избыток пероксида водорода, возникающий при стрессе, удаляется из клетки другим ферментом — каталазой.

С точки зрения ряда авторов, накопление Н₂0₂ в клетках при стрессе связано с его сигнальной ролью, обеспечивающей быстрое включение защитных механизмов в клетках растений (Гамалей и др., 1996; Курганова, 2001).

Живые организмы могут отвечать на воздействие вышеобозначенных агентов также синтезом определенного набора клеточных белков, так называемых белков теплового шока, или стрессовых белков, главная функция которых в клетке — препятствовать образованию агрегатов из денатурированных белков (Белки теплового шока…, 1998; Morimoto et al., 1990).

Рис. 6.3. Активность пероксидазы в листьях М. albus (а) и Т. medium [б).

из местообитаний с разным уровнем техногенной нагрузки в норме и при стрессе (по: Фазлиева и др., 2012):

1 — контроль (Н₂0); 2 — опыт (10 мМ CuS0₄).

Тяжелые металлы вызывают изменения в ядерной мембране, в частности, включенной в нее системы ферментов; приводят к физико-химическим сдвигам, которые влекут за собой нарушения метаболизма ядра, синтеза ДНК, РНК; влияют на митоз и мейоз, а также нарушают функционирование всей клетки в целом (Andersson, 1988). Это является одной из причин повышенной чувствительности меристем (Гродзинский и др., 1986).

В результате действия тяжелых металлов на организм нарушается фенольный обмен, вследствие чего изменяется ядерный аппарат клетки, в частности нарушается структурная целостность хромосом и митотическая активность (Amor et al., 1969). Повреждения затрагивают в первую очередь либо делящиеся, либо интерфазные клетки. Механизм действия ингибиторов фенольной природы на рост состоит в регуляции синтеза РНК и определенных белков.