Навіщо рослині антиоксиданти? Проблеми для всіх, хто живе в кисневій атмосфері, створюють активні форми кисню: радикали - супероксидний радикал 02* -, гідроперекисний радикал Н02* і найсильніший окислювач гідроксильний радикал НО*, - а також реакційно-здатні молекули, перш за все перекис водню Н202 і синглетний кисень 102 (у нього електрони, порушені світлом, перебувають в стані із більшою енергією, ніж у звичайного кисню). У всіх аеробних організмів, в тому числі і у людини, активні форми кисню
виникають при диханні. Їх джерелом служать в першу чергу мітохондрії - «тепло-електростанції» клітини, де вуглеводи окислюються киснем з запасом енергії в зручній формі молекул АТФ. Зовсім не так йде справа у рослин, які самі виробляють кисень в процесі фотосинтезу в хлоропластах. Заняття це досить небезпечне, пов'язане з поглинанням квантів світла, перерозподілом енергії і роботою з високореакційними сполуками.
Фотосинтетичні компоненти клітин, що володіють сильним відновлювальним потенціалом, віддають свої електрони і енергію не тільки на головне заняття - засвоєння вуглекислого газу, але і на відновлення молекул кисню, що виділяються. При цьому і утворюються його активні форми. Так хлоропласти поряд з мітохондріями виявляються важливими продуцентами активних форм кисню. У нормальних умовах на цей побічний процес в хлоропластах витрачається від 5 до 10% всіх електронів, необхідних для фотосинтезу. При стресі ж, як показують дослідження (M.M.Mubarakshina et al., «Journal of Experimental Botany», 2010,61,3577-3587; І.А.Найдов і інш., «Біохімія», 2012,77,179-189), їх частка може доходити і до 50% - таке відбувається, коли відключається антиоксидантний захист.
Щоб нейтралізувати активні форми кисню, раслини синтезують велику кількість антиоксидантів і витрачають багато сил на підтримку їх роботи. Це і високомолекулярні з'єднання - ферменти, спеціально призначені для нейтралізації певних форм кисню, і інші речовини, наприклад поліфеноли, які, зіткнувшись з окислювачем, приймають удар на себе. Це і низькомолекулярні антиоксиданти - розчинні в воді аскорбінова кислота (вітамін С) і глутатіон, а також розчинні в мембранних ліпідах токоферол (вітамін Е), убіхінон і пластохінон, каротиноїди і флавоноїди.
Чемпіони за вмістом вітаміну С в хлоропластах - альпійські рослини. Це і зрозуміло: в горах, під яскравими сонячними променями з високою часткою ультрафіолету, утворюється більше активних форм кисню, а значить, і антиоксиданту потрібно більше.
Передача сигналу в рослині
Активні форми кисню здатні завдати живій клітині великої шкоди - на їхньому рахунку пошкодження ліпідних мембран, дезактивація ферментів і навіть порушення в ДНК. Більш того, виробництво цих форм може виявитися для клітини фатальним: якщо їх утворюється занадто багато, буде запущений процес самознищення клітини - апоптоз. Досить довго вважалося, що активні форми кисню - абсолютне зло і без них життя рослини була б значно простіше. Однак у міру накопичення даних вчені все частіше задавали питання: чому за мільярди років еволюції не вдалося налагодити процес фотосинтезу і позбутися від активних форм кисню, навіщо рослина витрачає стільки енергії і речовини спочатку на їх синтез, а потім на нейтралізацію? Відповідь була знайдена в 90-х роках XX століття. Виявилося, що активні форми кисню приносять не тільки шкоду: вони грають важливу сигнальну роль, повідомляючи рослині про те, що в навколишньому середовищі відбулися якісь зміни і виникли умови для стресу, з яким треба боротися. Розібратися, як працює механізм оповіщення, нелегко, і все ж в деяких випадках це вдалося зробити.
Перш за все, необхідно було зрозуміти, які з перерахованих речовин годяться на роль передавача сигналу і звідки такий сигнал може йти. Склалася думка, що головними дійовими особами тут можуть бути супероксидний радикал і перекис водню: саме в хлоропластах їх утворюється багато. Друге джерело - дихання клітини: на утворення супероксидного радикала йде принаймні 2-5% електронів, що проходять по дихальному електроно-транспортному ланцюгу в мітохондріях. Є й інші джерела, внесок яких менше.
Цікаво, що синглетний кисень - ексклюзивний продукт життєдіяльності фотосинтетичних організмів, оскільки утворюється при взаємодії 02 зі збудженими енергією сонячного світла молекулами хлорофілу, якого у інших організмів немає. Супероксидний радикал же генерується при одноелектронному відновленні молекулярного кисню 02 високореакційними сполуками - цей процес йде у будь-яких живих істот в мітохондріях, а в раслинах - ще і в хлоропластах. Він породжує інші активні форми, наприклад з протоном - гідроперекисний радикал. Два супероксидних радикала в реакції один з одним і протонами дають перекис водню. Такій реакції допомагають спеціальні ферменти супероксиддисмутази, що прискорюють її приблизно в десять тисяч разів. Природа подбала про те, щоб цей вкрай важливий антиоксидантний фермент був присутній у всіх органелах клітини, де утворюється супероксидний радикал. Але для дисмутації недостатньо присутності ферменту - потрібні протони, а вільні протони є тільки у водних ділянках клітини, але не в ліпідних мембранах. Однак при фотосинтезі багато супероксидних радикалів утворюється саме всередині мембран хлоропластів, де розташована більшість переносників електронів (М.А.Кozuleva et al "FEBS Letters", 2011,585,1067-1071). Як же клітина захищається від них? В мембранах хлоропласті розчинені спеціальні речовини - пластохінони, що приймають участь в перенесенні електронів при фотосинтезі. Не так давно було виявлено, що відновлений пластохінон в мембранах служить джерелом не тільки електронів, а й протонів, які йдуть на утворення перекису водню з супероксидних радикалів, допомагаючи таким чином захистити мембрани (М.М.Мubarakshina, B.N.Ivanov, «Physiologia Plantarum», 2010,140,103-110).
Надалі при наявності металів змінної валентності, таких, як залізо або мідь, перекис водню може дати початок гідроксильному радикаліву (так звана реакція Фентона). Це вкрай небезпечно: гідроксильний радикал, як ми вже говорили, дуже сильний окислювач.
Супероксиддисмутази призначені для боротьби з супероксидним радикалом, а з менш реакційно-здатним перекисом борються каталази і пероксидази. Останні в нормі повинні прискорювати окислення перекисом низькомолекулярних антиоксидантів і таким чином її деактивувати. Однак в деяких випадках пероксидаза на мембрані клітини починає працювати в зворотному напрямку - виробляє перекис.
Завдяки антиоксидантам концентрації активних форм кисню в нормі невеликі, проте відмінність між ними суттєва: вміст перекису в хлоропластах обчислюється десятками наномоль, а радикалів в тисячі разів менше. Настільки ж сильно відрізняються часи життя. У радикалів - частки мікросекунди, оскільки вони володіють неспареним електроном і легко вступають в реакцію з першим-ліпшим об'єктом. Так, гідроксильний радикал з життєвим часом порядку наносекунд практично не встигає нікуди переміститися від місця свого утворення і вступає в реакцію з найближчим компонентом клітини. Більш довговічний супероксид-радикал, який живе мікросекунду, може подолати більшу відстань і в принципі здатний передати сигнал від одного компонента клітини іншому. До того ж він вміє долати мембрани по так званим аніонним каналах. Однак при наявності супероксиддисмутази цей радикал дуже швидко перетворюється в перекис водню. Перекис, що живе в тисячі разів довше (мілісекунди), може переносити інформацію набагато далі, наприклад від зайнятого фотосинтезом хлоропласта - ядра клітини (М.М.Borisova-Mubarakshina et al., «Biochimica et Biophysica Acta», 2012 1817 1314-1321), а також на відстані, що розділяють десятки клітин. Тому з усіх активних форм кисню, що з'являються в клітці рослини, саме перекис водню є основною сигнальною молекулою.
Перекис водню, що утворюється в хлоропластах (або в інших органелах клітини), повинен проникнути через їх мембрани, щоб вирушити в дорогу, - тільки тоді він зможе дійти до ядра або потрапити в іншу клітку. Не так давно виявили, що проникненню допомагають аквапоріни - спеціальні білки в мембранах, що забезпечують проходження крізь неї молекул води. Оскільки молекули Н20 і Н202 близькі за розміром, перекис може скористатися цим шляхом. При вдалому збігу обставин, якщо перекись досягне ядра, то воно отримає інформацію про стрес і у відповідь активуються десятки генів; синтез компонентів рослинної клітини переналаштується так, щоб рослина вижила в умовах, що змінилися. По дорозі перекис здатен активувати деякі ферменти або окислити ліпіди мембрани, зробивши її більш проникною. При цьому з клітини зможуть в більшій кількості виходити іони кальцію, а зміна їх концентрації - відомий фізіологам спосіб регулювання поведінки рослини. Сигнальну роль перекись виконує в клітинах не тільки рослин, але і бактерій, тварин і людини.
Життя з кисневим парадоксом
Перше корисна властивість активних форм кисню замітили вже давно. Це окислювальний вибух. Якщо рослину атаковано патогенами, в місці пошкодження відбувається потужний викид цих хімічно активних речовин - удар у відповідь. Активні форми кисню можуть або знищити ворога, або доставити йому чимало неприємностей. Крім того, навколо місця атаки гинуть клітини, створюючи смугу «випаленої землі», - мертві клітини, заповнені отруйними речовинами, захищають здорові тканини від вторгнення.
У повсякденному житті рослин роль активних форм кисню проявляється насамперед у реакції на надмірне освітлення. Подібно до того, як антени радіоастрономічних обсерваторій вловлюють космічні сигнали, в хлоропластах працюють фотосинтетичні антени. Зібравши з їх допомогою енергію сонячного світла, необхідну для здійснення первинних процесів фотосинтезу, компоненти хлоропластів забирають електрони від молекул води і синтезують головних постачальників енергії для подальших процесів - молекулу АТФ, а також відновлений НАДФ, тобто НАДФН. Обидва з'єднання необхідні для подальшого перетворення вуглекислого газу в органічні речовини.
Кількість АТФ і НАДФН безпосередньо залежить від кількості поглиненої фотосинтетичними антенами енергії світла. Однак влітку, при яскравому світлі, воно може виявитися занадто великим, тим більше що швидкість поглинання енергії і її міграції в антенах у багато разів вище швидкості перенесення електронів в мембранах хлоропласта, не кажучи вже про швидкості хімічних реакцій при асиміляції вуглекислого газу. Тоді АТФ і НАДФН будуть накопичуватися, а антени перезбуджуватися. Підсумок - утворення активних форм кисню.
Отримавши через них інформацію про те, що процес фотосинтезу йде з помилками, клітини листа вживають заходів. До складу фотосинтетичних антен входять входять білки і хлорофіли, які вловлюють кванти світла. Клітка листа знижує синтез білків, площа антен зменшується і так, регулює кількість світлової енергії, що поглинається.
Зайві активні форми кисню можуть отриматись не тільки через сильне світло. Їх джерело - і посуха, тобто недолік води, і спека. Ця тема стає все більш актуальною: через глобальну зміну клімату екстремальні явища на кшталт теплових хвиль відбуваються частіше.
Коріння рослин поглинають воду за допомогою складних механізмів, один з яких - збільшення смокчучої сили клітин кореня за рахунок випаровування води з листка. При посусі рослина обмежує випаровування, закриваючи продихи - спеціальні пори на верхній або нижній поверхні листка. Однак у цього рятувального механізму є зворотна сторона: при закритих продихах обмежується газообмін з навколишнім середовищем, і в першу чергу зменшується поступання С02 в хлоропласти листка. Виходить те ж саме, що і при яскравому світлі, тільки з іншої причини: через нестачу вуглекислого газу АТФ і НАДФН не витрачаються. Підсумок - нестача окисленого НАДФ і посилене утворення все тих же активних форм кисню. Рослина відповідає на це швидким синтезом антиоксидантів. До подібного ефекту призводить і засолення грунту: воно також змушує рослину економити воду і закривати продихи на листках.
Рослини використовують активні форми кисню на благо організму не тільки в стресових погодних умовах: з їх участю відбувається розтягнення клітинних стінок, розподіл органел, а також запуск специфічних процесів, пов'язаних зі зміною пір року. Наприклад, всього лише кілька років тому було виявлено, що осінній листопад ініциірується підвищеною продукцією активних форм кисню в черешку листа. Перед листопадом припиняється біосинтез хлорофілу і накопичуються каротиноїди - через них листя жовтіє або червоніє. В цей час органічні речовини, синтезовані за літо, транспортуються з листа в стебла і коріння, готуючи рослину до зимового періоду. Масове ж опадання листя починається після різкого зниження температури, перших заморозків, які викликають холодової стрес. Однак якщо під час інших стресових умовах сигнал переносять активні форми кисню, утворені в органелах клітини (в основному в хлоропластах), то під час листопаду вони утворюються на зовнішній мембрані клітин.
Вивчення сигнальних властивостей активних форм кисню - відносне новий напрямок досліджень, до повного розуміння детальних механізмів ще далеко. Однак кожна рослина живе в постійному стресі: то йому світла занадто багато, то мало, то жарко, то холодно, то вода залила, то посуха здолала. Більш того, людина постійно намагається ускладнити життя окультурених рослин: в промислових масштабах вона хоче зайняти малопридатні для землеробства посушливі або засолені землі, а на особистому подвір'ї - виростити яку-небудь екзотичну квітку з далекого півдня. Тому механізми, завдяки яким рослина протистоїть стрессам і які можна використовувати для виведення стійких сортів, привертають пильну увагу біологів. А регулювання реакції на стрес за допомогою техже речовин, якими користується сама рослина, виглядить досить цікавим шляхом, по якому можна далеко просунутися, створюючи сорти, стійкі до стресів.
Підводячи підсумок, можна сказати, що життя в кисневій атмосфері не таке же й просте для аеробних організмів. Як сказав один з дослідників: «Не дихайте - і хворіти не будете». Однак багатофункціональність активних форм кисню, що утворюються з молекул кисню, - це прекрасний приклад, який показує, як еволюція вміє звертати шкоду на користь, і тут нам є чому повчитися.
