Механизмы защиты клетки с помощью клеточных метаболитов
Защита против одного из самых токсичных производных О2 - синглетного кислорода - осуществляется с помощью разных биологически важных молекул. Все виды тушения *О2 можно разделить на физические и химические. Физическим называют тушение, которое не приводит к разрушению тушителя:
*О2 + A приводит к О2 + A
Химическое тушение приводит к окислению тушителя:
*О2 + A приводит к О2 + Aок
Преимущественно по химическому механизму тушение *О2 осуществляется насыщенными жирными кислотами, липидами, аминокислотами, нуклеотидами и другими соединениями. Механизмы химического тушения разнообразны, но в большинстве случаев начальной стадией является образование лабильной циклической перекиси с последующим ее разложением, которое приводит к возникновению свободных радикалов. Химическое тушение *О2 может приводить в клетке к существенным деструктивным последствиям. К тушению в основном по физическому механизму способны молекулы разных химических соединений. Наиболее эффективны в этом отношении каротиноиды, широко распространенные в мире прокариот. Они обнаружены в клетках многих аэробных хемотрофов, являются обязательным компонентом пигментного аппарата всех фототрофов. В клетках фотосинтезирующих организмов активными фотосенсибилизаторами являются хлорофиллы . Однако возможность фотоокислительных эффектов в условиях функционирования фотосинтетического аппарата довольно низка, во-первых, из-за чрезвычайно короткого (10 в степени минус 11 с) времени пребывания хлорофилла в возбужденном состоянии и, во-вторых, из-за защиты клеток от фотоокисления каротиноидами .
Впервые роль каротиноидов в предотвращении летального эффекта, вызываемого фотоокислением, была показана при изучении бескаротиноидного мутанта пурпурной бактерии Rhodopseudomonas spheroides . Исходная культура хорошо росла фототрофно в анаэробных условиях, но могла также расти на свету и в темноте в аэробных условиях. Полученный из нее мутант, лишенный каротиноидов, обладал низкой скоростью роста на свету в анаэробных условиях и в темноте в аэробных условиях, но быстро погибал при перенесении на свет + воздух. Фотоокислительные повреждения могут развиваться и у нефотосинтезирующих прокариот, так как в их клетках также имеются окрашенные молекулы, поглощающие видимый свет, которые могут функционировать как фотосенсибилизаторы . Действие каротиноидов не ограничивается только их участием в защите от фотодинамического эффекта . Они гасят синглетное состояние кислорода независимо от того, в каких реакциях он возникает: на свету или в темноте.
Механизм защитного действия каротиноидов у фотосинтезирующих организмов заключается в следующем ( рис. 88 ). Молекула хлорофилла , поглотившая свет, быстро (10 в степени минус 12 с) переносит энергию синглетного возбужденного состояния в реакционный центр. Из 10000 поглощенных квантов света приблизительно 4 приводят к переходу молекулы хлорофилла в возбужденное триплетное состояние. Возникает возможность фотодинамического поражения.
Каротиноиды могут участвовать в трех защитных реакциях:
- непосредственно тушить триплетное состояние хлорофилла, переводя его в основное состояние ( рис. 88 , А); возникающая при этом триплетная молекула каротиноида отдает избыточную энергию в виде тепла и возвращается в основное состояние;
- триплетный хлорофилл не гасится каротиноидами; происходит его взаимодействие с О2, переводящее последний в возбужденное синглетное состояние; синглетный кислород гасится каротиноидами ( рис. 88 , Б);
- синглетный кислород, не подвергшийся гашению каротиноидами по физическому механизму, может взаимодействовать с ними в химической реакции, приводящей к окислению каротиноидов.
Участие каротиноидов в любой из трех описанных выше реакций будет снижать уровень образования в клетке *О2.
