Свободный кислород, эволюция клетки - Гусев М.В.
Скачать (прямая ссылка):
57 Своеобразную модель подобных отношений представляют собой симбиозы современных зеленых серобактерий рода Chlorochromatium с гетеротрофными бактериями, с той, однако, существенной разницей, что в этом последнем случае «средством передвижения» служит гетеротрофный компонент системы (Pfennig, Triiper, 1974).
149
лерантные клетки располагают системой защитных ферментов: каталазой, пероксидазой (Mason, 1957) и супероксиддисмутазой,. сокращенно SOD (McCord, Fridovich, 1969 a, b; McCord, Keele, Fridovich, 1971; Fridovich, 1974b, 1975):
ОГ- + 07- + 2H+S°L-^H202 + 02, (33)
4 • H,0, + H202 SUSSL^. 2 H20 + Q„ (34)
H2A + H202 пероксидаза-^ A + 2 H20. (35)
Каталазу и пероксидазу относят к числу гемовых ферментов (они имеют в качестве небелковой простетической группы гем) и изучают уже несколько десятилетий. Но многие весьма авторитетные биохимики не считают функции этих ферментов окончательно выясненными (Долин, 1963а; Ленинджер, 1974). Однако в отечественной биохимии со времен А. Н. Баха58 утвердилось мнение, что каталаза — защитный фермент и ее единственная или во всяком случае доминирующая функция состоит в максимально быстром разложении перекиси водорода (Бах, 1950; Мих-лин, 1960). По-видимому, элиминация перекиси водорода — основная функция и гидропероксидаз, хотя механизм их действия существенно отличается от такового у каталазы.
Пероксидазы восстанавливают Н2О2 до воды за счет сопряженного окисления других соединений. При этом сопряженному окислению подвергаются в основном фенолы, ароматические кислоты и амины (Долин, 1963а). Известно, что реакции по прямому включению молекулярного кислорода в ароматические соединения ведут обычно к размыканию бензольного кольца, что, во-первых, уменьшает токсичность этих соединений, а во-вторых, облегчает дальнейшее использование образующихся метаболитов в промежуточном обмене (Гусев, Никитина, 1970). Можно полагать, что дегидрирование ароматических соединений такими ферментами, как пероксидазы, служит подготовительным этапом для последующих реакций по прямому включению молекулярного кислорода в бензольное кольцо (с разрывом последнего). Тем самым при пероксидазном механизме элиминации перекиси, возможно, достигается комплексная детоксикация сразу двух групп токсических продуктов: самих перекисей и окисляемых субстратов; видимо, поэтому пероксидазный механизм и сохранился в процессе естественного отбора, наряду с каталазным.
Супероксиддисмутазы (SOD) открыты сравнительно недавно (McCord, Fridovich, 1969 а, b), и новая информация об этих ферментах идет непрерывным потоком. К настоящему времени описаны два типа белков, ответственных за SOD-активность и отли-
58 Работа А. Н. Баха «Химизм дыхательных процессов» опубликована в 1912 г.
150
чающихся друг от друга по ряду фундаментальных признаков: относительной молекулярной массе, аминокислотной последовательности, природе простетического металла, чувствительности к цианиду, внутриклеточной локализации и др. (Fridovich, 1974b, 1975). Фермент, встречающийся в основном в цитоплазме высших эукариотов, имеет молекулярную массу 32 000,- чувствителен к цианиду, его простетические группы содержат металлы медь и цинк или медь и кобальт (Calabrese, Rotilio, Mondovi, 1972; Calabrese et al., 1976). Фермент, встречающийся перимуществен-но у прокариотов, имеет молекулярную массу 40 000, нечувствителен к цианиду, его простетическая группа содержит марганец или, реже, железо. Фермент со сходными микро- и макроскопическими : свойствами, но с удвоенными молекулярной массой (80 000 вместо 40 000) и числом субъединиц (4 вместо 2) обнаружен в митохондриях (Fridovich, 1974b, 1975). В последнее время показано, что SOD-активность, нечувствительная к цианиду, т. е. зависящая, по-видимому, целиком от маргаяецсодержащего фермента, присуща многим низшим эукариотам, в частности большинству зеленых водорослей (Lumsden, Hall, 1975b; Henry, Lumsden, Hall, 1976).
Надо полагать, что перечисленные факторы аэротолерантности (каталаза, пероксидаза, Си—Zn—SOD, Мп—SOD) появились в ходе. эволюции не все сразу и не одновременно у разных организмов. SOD-активность, связанная с присутствием ионов марганца, могла развиться раньше у фототрофных прокариотов, осуществляющих фотосинтез с выделением кислорода, поскольку марганецсодержащий фермент катализирует также фотоокисле--ние воды при этом типе фотосинтеза, а сам процесс фотоокисления воды, по-видимому, сопровождается образованием существенных количеств Q>2~- (Lumsden, Hall, 1975а, b). SOD-активность, связанная с присутствием ионов меди и цинка и свойственная в основном высшим эукариотам, могла появиться позже (Lumsden, Hall, 1975b), как мы полагаем, — после того, как кислород-продуцирующие фототрофы проникли внутрь гетеротрофной клетки и стали ее эндосимбионтами. В период до возникновения этого эндосимбиоза защиту гетеротрофов-бродильщиков от кислородной токсичности вполне мог обеспечивать такой фермент, как каталаза. Имеются наблюдения (Holman, 1955), что обли-гатно анаэробные клостридий, у которых нет ни SOD, ни каталазы (McCord, Keele, Fridovich, 1971), могут расти в аэробных условиях под слоем каталазы. Следовательно, у организмов со строго бродильным типом обмена скорость образования супероксидного радикала (при доступе кислорода), по-видимому, не превышает скорости спонтанной реакции его дисмутации. Иначе говоря, для обеспечения их аэротолерантности SOD не является строго необходимой.
