Ферментные системы защиты клетки (прокариот)
Передовой линией защиты от токсического действия производных О2 являются ферменты: супероксиддисмутаза , захватывающая молекулы О2- (см. " Супероксидный анион: токсические эффекты для клеток ", реакция 4), каталаза и пероксидаза, улавливающие Н2О2:
2Н2О2 -> (при участии каталазы) -> 2Н2О + О2 (10)
Н2A + Н2О2 -> (при участии пероксидазы) -> A + 2Н2О (11)
Они сводят до минимума концентрацию в клетке О2- и Н2О2 и не дают им возможности взаимодействовать с образованием ОН* (см. " Гидроксидный радикал: токсические эффекты для клеток ", реакция 5).
Супероксиддисмутаза обнаружена у хемотрофных прокариот , использующих О2 (облигатно и факультативно аэробных форм), а также у изученных представителей из групп фотосинтезирующих прокариот . Среди анаэробов фермент найден у подавляющего большинства аэротолерантных форм. Исключение составляют некоторые молочнокислые бактерии, однако в клетках большинства из них содержатся высокие концентрации (до 30 мМ) ионов двухвалентного марганца. Оказалось, что Mn2+, для которого показана способность окисляться под действием О2-, в таких концентрациях способен так же эффективно убирать образующиеся супероксидные ионы, как это делает супероксиддисмутаза, содержание которой в клетке обычно поддерживается на микромолярном уровне. Таким образом, у этих молочнокислых бактерий функцию нейтрализации О2- выполняют ионы Mn2+.
В клетках некоторых видов молочнокислых бактерий не найдено ни супероксиддисмутазы, ни высоких концентраций Mn2+. Эти виды характеризуются очень высокой чувствительностью к О2.
Среди облигатных анаэробов супероксиддисмутаза обнаружена у многих представителей рода Clostridium . Изучение их устойчивости к О2 обнаруживает четкую связь с содержанием в клетках этого фермента. Виды, имеющие супероксиддисмутазу, характеризуются умеренной или даже высокой устойчивостью к О2 по сравнению с видами, у которых этот фермент отсутствует. Супероксиддисмутаза найдена у разных видов строго анаэробных бактерий. Число организмов с не выявленной до сих пор супероксиддисмутазой очень мало.
Обнаружение супероксиддисмутазы у строгих анаэробов (гораздо более распространенное, чем предполагали раньше) ставит вопрос о ее физиологической роли у этих организмов. Способность последних расти только в бескислородной среде делает неясным функции фермента в данных условиях. Возможно, что только при попадании строгого анаэроба в неблагоприятные для него аэробные условия синтез фермента индуцируется молекулярным кислородом, что и обеспечивает организму защиту от О2 в этих условиях.
Супероксиддисмутаза - фермент, содержащий в активном центре в качестве простетической группы ионы металла. У прокариот - это атомы марганца и/или железа. Большинство изученных супероксиддисмутаз построено из двух идентичных субъединиц, каждая из которых содержит по одному атому металла. Fe- и Mn-ферменты сходны по аминокислотной последовательности. Попытки выявить связь между физиологическими и иными особенностями организмов и металлоформой содержащегося в них фермента не привели к определенному заключению. И та и другая формы супероксиддисмутазы обнаружены у представителей грамположительных и грамотрицательных прокариот, среди фото-и хемотрофов, облигатных анаэробов, аэробов и факультативно анаэробных форм. Более того, обе металлоформы супероксиддисмутазы могут присутствовать у одного организма и даже входить в состав молекулы одного фермента. Для некоторых видов показано, что синтез того или иного типа фермента зависит от наличия ионов металла в среде культивирования.
Супероксиддисмутаза изученных хемотрофных прокариот - не связанный с мембранами фермент, локализованный в цитоплазме. У Е. coli , в клетках которой обнаружены Fe-, Mn- и Fe/Mn-формы фермента, Fe-супероксиддисмутаза локализована в периплазматическом пространстве , а Mn-содержащий фермент - в цитоплазме . В связи с этим высказывается предположение, что металлоформы фермента играют разную роль в защите клетки от О2: Fe-содержащий фермент защищает клетку от экзогенных супероксидных анионов, а Mn-содержащий - от эндогенных.
Особо остро стоит проблема защиты от молекулярного кислорода и его производных в клетках цианобактерий . Вероятно, именно они впервые в наибольшей степени ощутили последствия токсических эффектов кислорода. Супероксиддисмутаза найдена у всех цианобактерий. В клетках Anacystis nidulans ( Synechococcus ) Fe-супероксиддисмутаза, составляющая до 90% от общего количества фермента, локализована в цитозоле клетки, а Мn-содержащая форма - в тилакоидах . Функция последней формы фермента сводится, вероятно, к перехвату ионов О2, возникающих в процессе фотосинтетического электронного транспорта.
