1.5.1. Ферментативная антиоксидантная система

Среди высокомолекулярных ферментов-антиоксидантов важнейшую роль играют супероксиддисмутаза, каталаза, группа пероксидаз [22]. Основную роль в снижении содержания супероксидного анион-радикала выполняет фермент супероксиддисмутаза (СОД).

Супероксиддисмутаза (КФ 1.15.1.1) катализирует реакцию дисмутации супероксидных радикалов с образованием пероксида водорода и молекулярного кислорода [7].

2 ОГ + 2 Н+ ^ Н₂О₂ + О₂

Фермент обнаружен в клетках живых организмов разного уровня организации (растений, животных, микроорганизмов). В клетках растений фермент представлен несколькими изоформами, отличающимися атомами металлов в составе их активных центров [86, 106]. Изоформы имеют разную локализацию в клеточных компартментах, молекулярную массу и чувствительность к ингибиторам [249, 252]. Первым был изучен фермент, содержащий ионы меди и цинка в активном центре (CuZn-СОД), впоследствии было обнаружено существование еще двух изоформ (Fe-СОД и Mn-СОД).

Растительная CuZn-СОД представляет собой гомодимер, каждая субъединица которой содержит один атом Cu и один атом Zn. Фермент обнаружен в цитозоле [183], митохондриях [199], хлоропластах, пероксисомах, а также в апопласте [153]. CuZn-СОД отличается по молекулярным свойствам от двух других изоформ фермента. В клетках прокариот и эукариот обнаружена Fe-СОД [205]. Данная форма присутствует в хлоропластах, пероксисомах [260] и в цитоплазме клубеньков некоторых бобовых культур [173].

В пластидах локализована Fe-СОД, представленная гомодимером, каждая субъединица которого содержит один атом железа. Следует отметить, что ген Fe-СОД был идентифицирован у многих растений, в том числе у арабидопсис и сои, но не был обнаружен в геноме риса и кукурузы. У арабидопсис в хлоропластах обнаружены три изоформы Fe-СОД [54].

За ликвидацию супероксидрадикала в митохондриях [199] и пероксисомах [224] отвечает Mn-СОД.

Супероксиддисмутаза защищает клетки и ткани растений от окислительных повреждений, действия неблагоприятных факторов внешней среды. Ингибитором СОД может выступать пероксид водорода, образующийся при дисмутации супероксидного анион-радикала, в связи с этим эффективная работа фермента будет зависеть от функционирования других компонентов антиоксидантной системы защиты.

В детоксикации образующегося пероксида водорода важную роль играет фермент каталаза. Каталаза (КФ 1.11.1.1) является гемсодержащим ферментом, участвующим в нейтрализации пероксида водорода до воды и молекулярного кислорода:

2 Н₂О₂ ^ 2 Н₂О + О₂

Реакция нейтрализации пероксида водорода происходит с высокой скоростью, но фермент начинает работать только при высокой концентрации пероксида водорода [21]. В связи с этим важно участие и ряда других ферментов, участвующих в процессе превращения пероксида водорода [15]. Каталаза локализована преимущественно в цитоплазме, глиоксисомах или пероксисомах. Кроме того, особая изоформа каталазы обнаружена также в митохондриях и хлоропластах растений [86].

Ферменты пероксидазы ускоряют реакции восстановления пероксида водорода с использованием различных субстратов. Они присутствуют в различных компартментах клетки: хлоропластах, митохондриях,

пероксисомах, цитозоле.

Аскорбатпероксидаза (КФ 1.11.1.11) является основным ферментом, задействованным в детоксикации пероксида водорода. Реакция разложения пероксида происходит в результате окисления аскорбиновой кислоты. Аскорбатпероксидаза локализована в хлоропластах, катализирует разрушение пероксида водорода даже при низких его концентрациях в клетке. Также фермент обнаружен в цитозоле, пероксисомах, глиоксисомах [127, 188].

(дегидроаскорбатредуктаза, монодегидроаскорбатредуктаза) [172].

Гваяколпероксидаза (КФ 1.11.1.7) обнаружена в клеточных стенках и вакуолях. Фермент участвует в восстановлении пероксида водорода путем окисления ароматических фенольных соединений, таких как гваякол и пирогаллол. При этом аскорбат использует ферментом с крайне низкой скоростью. Известно, что гваяколпероксидазы участвуют в сложном процессе биосинтеза лигнина. Активация гваяколпероксидаз обычно наблюдается при заражении различных растений при участии патогенных микроорганизмов, а также под действием ультрафиолетового излучения, то есть в случаях, когда есть необходимость укрепления клеточных стенок путем лигнификации.

Глутатионпероксидаза (КФ 1.11.1.9) локализована в цитоплазме, матриксе митохондрий или плазмалемме. Этот фермент участвует в детоксикации различных органических или неорганических пероксидов, нуклеиновых кислот, белковых молекул. Для процесса восстановления пероксида водорода фермент глутатионпероксидаза может использовать глутатион [227].

Антиоксидантные ферменты также могут оказывать влияние на уровень хемилюминесценции в растениях. Например, показано [168], что каталаза и СОД способны ингибировать хемилюминесценцию в клетках растений сои. Антиоксидантные ферменты способны удерживать на более низком уровне интенсивность процессов пероксидации липидов в растениях в условиях почвенной гипоксии [56].