Влияние кислорода. 
Физиология растений в 2 т. Том 1

Хотя кислород является продуктом световой фазы, у большинства растений снижение его концентрации с 21% (обычная концентрация в атмосферном воздухе) до 1 —3% активирует фотосинтез. Это становится понятным, если вспомнить, как образовалась современная земная атмосфера с ее низким содержанием С0₂ и очень высоким содержанием 0₂. Когда более 2 млрд лет назад на Земле возникла жизнь, атмосфера содержала много С0₂ и мало 0₂, и первые организмы были анаэробами. Изменение газового состава атмосферы произошло благодаря появлению фотосинтезирующих организмов. 90—95% кислорода атмосферы Земли фотосинтетического происхождения. Следовательно, фотосинтез возник в условиях низкого содержания кислорода в атмосфере.

Торможение фотосинтеза кислородом назвали эффектом Варбурга. Эффект Варбурга обнаружен у всех С₃-растений; у С₄-растений при естественной концентрации кислорода его нет. Чем объясняется этот эффект? Во-первых, при большой концентрации кислорода начинает идти гликолатный цикл. Когда при снижении концентрации кислорода до 2—3% гликолат не образуется, исчезает и эффект Варбурга. Во-вторых, при большой концентрации кислорода может происходить псевдоциклическое фотофосфорилирование: электроны во время световой фазы транспортируются не к НАДФ⁺, а к кислороду воздуха. В результате кислород восстанавливается, образуется перекись водорода, которая разлагается на воду и атомарный кислород. Количество восстановленного кислорода равно его количеству, образующемуся при фотоокислении воды. В атмосферу он не выделяется. Уменьшение количества НАДФН тормозит темновую фазу фотосинтеза. В этом процессе участвуют обе фотосистемы.

Итак, очень низкое содержание или полное отсутствие кислорода, так же как и увеличение его концентрации до 25—30%, тормозят фотосинтез.

Фотосинтетический аппарат растения является одной из главных мишеней для активных форм кислорода (АФК): нарушаются структура и функции хлоропластов, происходит инактивация ФС—II, снижается активность РуБисКО и других ферментов, уменьшается концентрация хлорофиллов и каротиноидов.

Образование большого количества активных форм кислорода (АФК) назвали окислительным взрывом. Окислительный взрыв возникает в ответ на действие факторов самой разной природы: высокая интенсивность света, засуха, повышенное содержание озона, низкая температура, засоление, кадмий, алюминий, УФ-облучение, а также он происходит при старении клеток и внедрении патогена.

Для защиты от АФК у растений в процессе эволюции возникла антиоксидантная система, состоящая из соединений, уничтожающих АФК или мешающих их образованию. Эти соединения были названы антиоксидантами. С их помощью растение контролирует количество АФК.

Антиоксидантная система состоит из низкомолекулярных соединений (аскорбиновая кислота, каротиноиды, антоцианы, флавоноиды, а-токоферол, глутатион, фенолы, пролин, полиамины) (рис. 4.30), а также из специализированных ферментов, ликвидирующих АФК и вызывающих репарации поврежденных структур (супероксиддисмутаза, различные пероксидазы, каталаза и ферменты аскорбат-глутатионового цикла).

Рис. 4.30. Некоторые антиоксиданты растений.

Каротиноиды, содержащие девять и более двойных связей, могут тушить триплетное состояние хлорофилла и образовавшийся синглетный кислород. Энергия от хлорофилла или кислорода переносится на р-каротин и выделяется в виде тепла.

Витамин Е (токоферол) — гидрофобный антиоксидант (см. рис. 4.30). Его много в мембранах клеток. Он связывает активный кислород, поэтому мембраны не повреждаются. Токоферол находится в мембранах и способен неферментативно взаимодействовать с АФК, предотвращая перекисное окисление липидов.

Аскорбиновая кислота (витамин С) — важнейший антиоксидант в растительной клетке. Она является донором электронов для превращения перекиси водорода в воду и содержится во всех компартментах клетки, даже в апопласте.

Глутатион — универсальный антиоксидант в клетках растений. Это небольшой пептид, состоящий из аминокислот глутатиона, цистеина и глицина (см. рис. 4.30). Окисление происходит в результате образования серного мостика между цистеиновыми остатками двух молекул глутатиона. Восстановление окисленного глутатиона происходит при участии глутатионредуктазы, использующей НАДФН. Глутатион, как и аскорбиновая кислота, активно участвует в защитных ферментативных реакциях.

Фенольные соединения снижают уровень активных форм кислорода и защищают липиды мембран от разрушения. В опытах показано, что при УФ-облучении в листьях повышается содержание флавоноидов.

Кадаверин защищает ДНК от АФК. Он из корней поступает в листья, активирует СОД.

Пролин — химический шаперон, поддерживает структуру глобулы в условиях стресса.

Содержание АФК в клетке контролируется ферментами-антиоксидантами, из которых важнейшим является СОД.

Супероксиддисмутаза (СОД) — жизненно важный фермент всех аэробных организмов, существующий в грех изоформах, содержащих Mn, Си, Zn или Fe. Mn-СОД находится в митохондриях, пероксисомах, Cu-Zn-СОД — в цитозоле, хлоропластах и пероксисомах, Fe-СОД — в хлоропластах. СОД превращает супероксид-анион-радикал (0₂) в кислород 0₂ и Н₂0₂. Далее Н₂0₂с помощью нескольких ферментов превращается в воду.

Пероксидаза — гемсодержащий гликопротеид, который в разных изоформах присутствует во всех клеточных компартментах и клеточной стенке. Пероксидаза восстанавливает перекись до воды, окисляя различные соединения.

Каталаза — гемсодержащий фермент, находящийся в пероксисомах и разлагающий перекись водорода на воду и молекулярный кислород: 2Н₂0₂ —> 2Н₂0 + 0₂.

Каталаза, как и супероксиддисмутаза, подавляет образование супероксидрадикала.

Аскорбатпероксидаза и глутатионпероксидаза используют аскорбат и восстановленный глутатион для восстановления перекиси водорода:

где АН₂ — восстановленный глутатион или аскорбат.

Альтернативная оксидаза (АО) препятствует развитию окислительного взрыва, часто ее активность увеличивается в неблагоприятных условиях. В опытах синтез АО стимулировали действием низких температур, внедрением патогена (см. параграф 5.1).

Некоторые антиоксиданты объединяются в циклы, например аскорбат — глутатионовый, виолаксантиновый цикл.

Для постоянного удаления перекиси водорода в клетке действуют несколько ферментов в так называемом аскорбат-глутатионовом цикле. Цикл состоит из окислительно-восстановительных реакций, в которых участвуют аскорбат, глутатион и НАДФН. Сначала перекись водорода восстанавливается до воды аскорбатпероксидазой, локализованной в тилакоидной мембране хлоропласта. Донором электронов является аскорбиновая кислота. При этом она окисляется до монодегидроаскорбата, который самопроизвольно превращается в аскорбат за счет ферредоксина, восстановленного в ФС—I (рис. 4.31). Монодегидроаскорбат может быть восстановлен до аскорбата НАД (Ф)Н-зависимой монодегидроаскорбатредуктазой, находящейся в строме хлоропласта и в цитозоле.

Рис. 431. Окисление аскорбата.

Монодегидроаскорбат может превратиться в аскорбат и другим способом. Сначала две молекулы монодегидроаскорбата самопроизвольно образуют аскорбат и дегидроаскорбат (рис. 4.32). Затем дегидроаскорбат превращается в аскорбат за счет восстановленного глутатиона, реакцию катализирует дегидроаскорбатредуктаза в строме хлоропластов.

Этот цикл активно работает в хлоропластах и цитозоле; возможность его функционирования в растительных митохондриях дискутируется. Для его функционирования необходимо достаточно высокое содержание восстановленных аскорбата и глутатиона, что зависит от содержания НАДФН, который образуется при фотосинтезе в хлоропластах, при пентозофосфагном окислительном цикле в цитозоле, а также в митохондриях с участием НАДФ-зависимой изоцитратдегидрогеназы (см. параграф 5.1).

Рис. 432. Восстановление дегидроаскорбата с участием глутатиона и глутатионредуктазы.