НАДФ-оксидазная (супероксидсинтазная) сигнальная система

Среди факторов внешней среды, воздействующих на организм, особое влияние принадлежит так называемому окислительному взрыву Повышенная концентрация активных форм кислорода (АФК) регистрируется в клетках животных и человека при ряде важнейших воздействий: радиации, пестицидов, многих лекарственных препаратов, промышленных отходов, при ишемии, канцерогенезе, катаракте, диабете и, наконец, при попадании бактерий внутрь фагосомы иммунной клетки.

Окислительный взрыв — наиболее яркая составляющая инфекционного процесса. Генерирование активированных форм кислорода — один из факторов защиты, применяемых клетками иммунной системы теплокровных в борьбе с инфекциями. Предполагается, что свободно-радикальные процессы играют важную роль среди механизмов старения и апоптоза (запрограммированной гибели клеток).
К числу основных форм активированного кислорода принадлежат супероксидный анион (02“), гидроксильный радикал (ОН) и перекись водорода (Н202).
Супероксидный анион представляет собой свободный радикал и образуется при одноэлектронном восстановлении молекулярного кислорода:
02 + е —^ 02 .
Супероксид образуется при взаимодействии молекул кислорода с НАДФН-оксидазной системой, а также с восстановленными флавинами, хинонами, тиолами и в ходе реакции, катализируемой флавин-содержа- щим ферментом ксантиноксидазой. Супероксид-радикал и образующиеся из него другие формы активированного кислорода, вызывают перекисное окисление ненасыщенных жирных кислот, окисление SH-групп и разрушение триптофановых остатков в белках, повреждение ДНК, деполимеризацию кислых полисахаридов и другие реакции.
Самым сильным окислителем, вызывающим разрушение биополимеров клетки, является гидроксильный радикал. Он превосходит супероксидани- он по окислительной активности, но уступает ему по стабильности (время жизни гидроксильного радикала всего лишь КГ9 секунд, тогда как время жизни супероксиданиона КГ3 секунды). Гидроксильный радикал образуется при взаимодействии супероксида с перекисью водорода:
о2- + Н202 -gt; 02 + Н20 + ОН.

284              Перенесение второго электрона на молекулу кислорода приводит к
образованию третьего ингредиента АФК — перекиси водорода:

Однако, в большинстве случаев Н202 возникает при взаимодействии супероксидных радикалов между собой (реакции дисмутации):

Перекись водорода вызывает окисление SH-групп в белках, перекис- ное окисление ненасыщенных жирных кислот, однако скорость этих реакций относительно невелики, и главная опасность перекиси водорода для клеток заключается в ее способности генерировать гидроксильный радикал. АФК способны взаимопревращаться, поэтому их часто рассматривают в комплексе.
Открытие противоинфекционной функции АФК у животных заставило искать аналогии и в мире растений. В нормально функционирующей растительной клетке существует баланс между активацией и дезактивацией кислорода, поэтому количество его активных форм находится на безопасном уровне. Однако структурные и функциональные нарушения растительных тканей, как правило, приводят к активации кислорода. Существующий в норме баланс между образованием и уничтожением АФК может нарушаться при самых разнообразных патологических состояниях растений.
Поскольку активация кислорода является одним из самых ранних ответов растительной клетки, не исключено, что именно АФК принадлежит важная роль в подавлении развития патогенов. Так, при СВЧ-реакции происходит выход фенолов из вакуолей и их ферментативное окисление. А так как этот процесс сопровождается генерацией активированного кислорода в токсических концентрациях, возможно, что именно он служит причиной гибели клеток хозяина и внедрившегося в них патогена.
Установлено, что генерация супероксид-аниона в устойчивом хозяине локализуется именно вокруг внедрившихся гиф. Следовательно, в ответ на инокуляцию в устойчивом, но не в восприимчивом, растении усиливается активация кислорода в нужном месте и в нужное время, причем эта активация носит системный характер.
Если ранее роль АФК рассматривали только как источник высокотоксичных, хотя и коротко живущих соединений, которые ингибируют развитие паразита, то к настоящему времени исследована еще одна, более существенная, функция АФК — их участие в супероксидсинтазной сигнальной системе. При окислении молекулярным кислородом НАДФН, локализованного в цитоплазматической мембране (рис. 8.6), образуется радикал супероксид анион, который в результате реакции, катализуемой супероксиддисмутазой, превращается в перекись водорода. Супероксид анион и перекись водорода являются вторичными мессенджерами в су-





пероксидсинтетазной системе.

Перекись водорода вызывает активацию факторов регуляции транскрипции и, как следствие, экспрессию генов иммунного ответа. У арабидопсиса, табака и некоторых других видов растений обнаружены гены, гомологичные гену человека gp91 phox, контролирующему синтез мембранного белка НАДФН-оксидазы нейтрофилов. У картофеля такую функцию несут два гена — StrbohA и Strboh2. Экспрессия первого необходима для протекания ранней фазы окислительного взрыва (непосредственно после попадания элиситора) — аккумуляции Н202, а второго — для генерирования массивного окислительного взрыва через 6-9 ч после обработки.
Исключительно важную роль в этой сигнальной системе играет салициловая кислота (СК), концентрация которой многократно повышается не только в местах инфицирования, но и в тканях, удаленных от места инфекции. Поскольку СК связывает каталазу, разлагающую перекись водорода, то количество последней еще более возрастает. Интенсивность апоптоза (гибели клеток) Arabidopsis под действием токсина гриба Fusarium moniliforme фумонизина коррелирует с уровнем СК. У мутантов, имеющих низкий уровень СК, некрозов от действия фумонизина не наблюдалось. Имеются также данные о существовании протеинкиназ, непосредственно активируемых салицилатами, что может объяснить экспрессию генов защитного ответа как на СК, так и на перекись водорода.

В клетках животных оксид азота или нитроксид (N0) образуется из L-ap- гинина с помощью NO-синтазы. Субстратами этой реакции являются аргинин, НАДФН и молекулярный кислород. Продуктами — N0, цитруллин и НАДО:
L-аргинин + НАДФН + О2 —gt; цитруллин + N0 + НАДФ+ .
В растениях наряду с этим путем оксид азота образуется в результате редукции нитрита ферментом нитрат-редуктазой в присутствии НАДФН.
Радикал N0 является важнейшим нейромедиатором, интермедиатом иммунной системы и регулятором сердечно-сосудистой системы человека. В животном организме N0 работает как передатчик нервных импульсов в периферической и центральной нервной системе.
Как уже упоминалось, одним из наиболее быстрых защитных ответов растений на инвазию патогенами служит окислительный взрыв, который приводит к образованию АФК. Продуктом окислительного взрыва является супероксидный радикал, который один не может приводить клетки к СВЧ-гибели, поскольку имеет слишком короткое время жизни. Перекись водорода, в которую затем превращается супероксид, токсична только в относительно высоких концентрациях и поэтому также вряд ли может быть причиной СВЧ-реакции. Отсюда становится ясным, что в растительных клетках наряду с АФК должен существовать некий сопутствующий фактор, усиливающий их действие.
В макрофагах млекопитающих с АФК сотрудничает оксид азота, убивающий бактериальные клетки. Показано, что и в растениях наряду с АФК действует N0, которая участвует в ростовых процессах и дифференциров- ке, открывании устьиц, вызывает транскрипционную активацию генов ответа на поранение, абиотические стрессы и реакцию СВЧ.
Взаимодействие АФК и N0 является синергическим, поскольку в СВЧ-реакции количество оксида азота возрастает в десятки раз. Ингибиторы синтеза N0 уменьшали СВЧ-ответ клетками Arabidops^s, инокули- рованными Pseudomonas syringae, и, тем самым, способствовали распространению болезни. Наоборот, обработка суспензии клеток сои Na-нитро- пруссидом, который не вызывает СВЧ-реакции, но является донором N0, приводит к возникновению СВЧ-реакции.
NO-синтаза активируется только в устойчивых, но не в восприимчивых листьях табака, зараженных ВТМ. В этих же листьях обнаруживается большое количество N0. Инъекция в листья табака NO-синтазы животных, ее субстрата и кофакторов приводит к транскрипции защитного гена PR-L
Оксид азота синергически взаимодействует с эндогенным фактором, зависящим от салициловой кислоты (СК). Накопление СК в инфицированной ткани инактивирует каталазу и, тем самым, увеличивает концентрацию перекиси водорода, которая усиливает окислительный взрыв, а последний, в свою очередь, увеличивает синтез СК. Возможно, поэтому СК называют «сигнальным усилителем».
N0 реагирует с супероксидом кислорода, образуя пероксинитрил (0N00) — чрезвычайно токсическое соединение, ингибирующее патогенов.

В дальнейшем из пероксилитрила образуется гидроксильный радикал, ко- 287 торый еще более увеличивает токсичность.
В результате повышения концентрации N0 образуется гуанилатцикла- за, катализирующая превращение ГТФ в цГМФ. Установлено, что цГМФ активирует протеинкиназу или непосредственно, или с помощью более длинного сигнального пути, включающего циклическую форму аденозин- дифосфатрибозы (цАДФРибоза). Последняя открывает Са-каналы внутриклеточных депо кальция, в результате чего повышается концентрация кальция в цитозоле, активируются Са-зависимые протеинкиназы, фосфо- рилируется белковый фактор регуляции транскрипции и начинается синтез защитных белков. 

Еще по теме НАДФ-оксидазная (супероксидсинтазная) сигнальная система:

1. 2.9.2. «Говорящие» обезьяны и проблема происхождения второй сигнальной системы
2. СИГНАЛЬНЫЕ ДВИЖЕНИЯ
3. 3.3.1. Последовательные переделки сигнального значения дифференцировочных стимулов
4. Глава 8 ПОНЯТИЯ О СИСТЕМЕ УДОБРЕНИЙ И ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ СИСТЕМЫ УДОБРЕНИЯ В СЕВООБОРОТЕ
5. ПРИМЕНЕНИЕ БЕСПОДСТИЛОЧНОГО НАВОЗА КАК СОСТАВНАЯ ЧАСТЬ СИСТЕМЫ УДОБРЕНИЯ Основы системы удобрения
6. Ценотическая система Ценотическая система — что это такое?
7. 3.3.3. формирование «систем» дифференцировочных условных рефлексов
8. Система полива
9. 14.6. ИНТЕГРИРУЮЩИЕ СИСТЕМЫ
10. 14.4. КРОВЕНОСНАЯ СИСТЕМА
11. УСТОЙЧИВОСТЬ БОЛОТНЫХ СИСТЕМ