Молекулярный кислород: токсические эффекты для клеток
Как фактор внешней среды О2 воздействует на современные прокариотные организмы двояко: с одной стороны, он может быть абсолютно необходимым, с другой - с молекулярным кислородом и его производными связаны токсические эффекты для клеток.
Существует ряд гипотез, объясняющих чувствительность прокариот к О2. Согласно одной из них молекулярный кислород сам является токсическим соединением, агрессивное действие которого связано со способностью окислять клеточные метаболиты, необходимые для функционирования в восстановленном состоянии. Токсический эффект О2 зависит от условий, при которых происходит взаимодействие с ним организмов: концентрации растворенного О2, длительности экспозиции, состава окружающей среды.
Токсичность молекулярного кислорода, например, может быть следствием активного акцептирования им электронов с растворимых переносчиков, функционирующих в процессах брожения, что будет приводить к истощению внутриклеточного пула восстановленных доноров электронов, необходимых для биосинтезов. Действительно, было обнаружено, что активность растворимых флавопротеинов , способных функционировать как НАД(Ф)*Н2 -оксидазы, повышалась в 5-6 раз при выращивании Clostridium acetobutylicum в аэробных условиях сравнительно с анаэробными . Сдвиг под влиянием О2 электронных переносчиков в сторону их преимущественного нахождения в окисленном состоянии приводил к подавлению роста и изменению выхода продуктов брожения : прекращению синтеза масляной кислоты и накоплению более окисленного продукта - уксусной кислоты .
Наконец, для проявления токсического эффекта О2 вполне достаточно окисления им какого-либо одного ключевого метаболита или фермента, приводящего к их инактивации. Известны три ферментные системы прокариот, особо чувствительные к молекулярному кислороду: нитрогеназа , гидрогеназа и рибулозодифосфаткарбоксилаза .
Нитрогеназная система, катализирующая фиксацию молекулярного азота, как известно, состоит из двух металлопротеинов: белка, содержащего железо и молибден, и белка, в состав которого входит только железо. Каждый белок необходим для проявления каталитической активности. Молекулярный кислород оказывает повреждающее действие на оба белка нитрогеназы, но более чувствителен к О2 Fe-белок.
Чувствительность белков нитрогеназы к О2 определяется прежде всего чувствительностью их металлоцентров, которые участвуют как в связывании субстрата, так и в переносе электронов. Поскольку при этом может происходить и ступенчатое восстановление 02 по одноэлектронному механизму, в качестве продуктов такого восстановления возникают супероксидные ионы, перекись водорода и синглетный кислород, вносящие свой вклад в окислительное повреждение нитрогеназы.
Нитрогеназные белки являются не единственным компонентом азотфиксирующей системы, чувствительным к О2. Ферредоксины и флаводоксины , донирующие электроны на нитрогеназу, могут автоокисляться и подвергаться необратимым окислительным повреждениям.
Гидрогеназы многих прокариот также обнаруживают высокую чувствительность к молекулярному кислороду, которая in vitro в большой мере зависит от метода выделения и степени очистки. Как правило, более устойчивы к О2 неочищенные ферментные препараты. По сравнению с мембрансвязанным ферментом устойчивость к О2 гидрогеназы, отделенной от мембраны, обычно ниже. Фермент, полученный из клеток анаэробов, более чувствителен к О2, чем выделенный из клеток аэробных прокариот.
Каталитическая активность рибулозодифосфаткарбоксилазы , фермента, катализирующего фиксацию СО2 у подавляющего большинства автотрофных прокариот, зависит от парциальных давлений СО2 и О2. При высокой концентрации О2 и низкой - СО2 преобладает оксигеназная реакция:
рибулозо-1,5-дифосфат в присутствии О2 переходит в
3-фосфоглицериновая кислота + фосфогликолевая кислота (1) и
рибулозо-1,5-дифосфат в присутствии СО2 переходит в
2 молекулы фосфогликолевой кислоты (2).
При этом в реакции (1) проявляется оксигеназная активность фермента, а в реакции (2) - карбоксилазная активность фермента.
Молекулы О2 и СО2 конкурируют за каталитический центр фермента. И хотя сам фермент не обнаруживает повышенной чувствительности к молекулярному кислороду и, следовательно, не повреждается при его высокой концентрации, увеличение О2 в среде приводит к изменению функционирования рибулозодифосфаткарбоксилазы. Протекание ферментативной реакции по оксигеназному пути приводит к истощению клеточного пула молекул рибулозодифосфата и, как следствие этого, понижению активности восстановительного пентозофосфатного цикла в клетке.
Помимо существования в основной форме в биологических реакциях и под действием различных физико-химических факторов возникают продукты неполного восстановления О2, более реакционно способные и обладающие высокой токсичностью для клетки. Как известно, для полного восстановления молекулярного кислорода, приводящего к образованию молекулы воды, требуются 4 электрона:
О2 + 4Н+ + 4е переходит в 2Н2О.
У большинства прокариот имеются ферменты, катализирующие реакции одновременного переноса 4 электронов на О2, при которых не обнаружено каких-либо промежуточных продуктов восстановления О2. Это цитохромоксидазы и некоторые медьсодержащие ферменты. Возможно, что в этих реакциях и возникают короткоживущие продукты неполного восстановления О2, но они остаются связанными с ферментами, не выходят в цитоплазму и практически не наносят вреда клетке.
