Микробиология - Гусев М.В.
Скачать (прямая ссылка):
Токсические эффекты молекулярного кислорода и его производных
Как фактор внешней среды O2 воздействует на современные про-кариотные организмы двояко: с одной стороны, он может быть абсолютно необходимым, с другой — с молекулярным кислородом и его производными связаны токсические эффекты для клеток.
Молекулярный кислород (O2). Существует ряд гипотез, объясняющих чувствительность прокариот к O2-. Согласно одной из них молекулярный кислород сам является токсическим соединением, агрессивное действие которого связано со способностью окислять клеточные метаболиты, необходимые для функциональной активности в восстановленном состоянии. Токсический эффект O2 зависит от условий, при которых происходит взаимодействие с ним организмов: концентрации растворенного O2, 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 специфическая активность растворимых флавопротеи-
1 В этой связи интересны данные, основанные на изучении изотопного состава углерода в ископаемых органических остатках из отложений, образованных в бескислородный период истории Земли. Анализ этих данных позволил сделать вывод, что в период, предшествовавший появлению больших количеств свободного кислорода в атмосфере, прокариотное сообщество было разнообразнее, чем в последующее время. Разнообразие прокариотного сообщества значительно уменьшилось 1,5 млрд. лет назад (см. рис. 55).
294
дов, способных функционировать как НАД(Ф) • Н2-оксидазы, повышалась в 5—б раз при выращивании Clostridium acetobutyticum в аэробных условиях сравнительно с анаэробными. Сдвиг под влиянием Ог 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 молекулярного кислорода вполне достаточно окисления им какого-либо одного ключевого метаболита или фермента, приводящего к его инактивации. Известны три ферментные системы прокариот, особо чувствительные к молекулярному кислороду: нитрогеназа, гидрогеназа и рибулозоди-фосфаткарбоксилаза.
Нитрогеназная си.стема, катализирующая фиксацию молекулярного азота, как известно, состоит из двух металлопротеидов: белка, содержащего железо и молибден (MoFe-белок), и белка, в состав которого входит только железо (Fe-белок). Каждый из белков необходим для проявления каталитической активности. Молекулярный кислород оказывает повреждающее действие на оба белка нитрогеназы, но более чувствителен к O2 Fe-белок.
Чувствительность белков нитрогеназы к O2 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 O2 по одно-электронному 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 O2. Ферредоксины и фла-водоксины, донирующие электроны на нитрогеназу, могут автоокис-ляться 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 O2 гидрогеназы, отделенной от мембраны, обычно ниже. Фермент, полученный из клеток анаэробов, более чувствителен к O2, чем выделенный из клеток аэробных прокариот.
Каталитическая активность рибулозодифосфаткарбоксилазы, фермента, катализирующего фиксацию CO2 у подавляющего большинства автотрофиых прокариот, зависит от парциальных давлений CO2 и O2. При высокой концентрации O2 и низкой — CO2 преобладает оксигеназная реакция:
3-фосфоглицериновая 2 молекулы
кислота ^ рибулозо-1,5- COi 3-фосфоглице-
rWrWnmmn^a ^~ оксигеназная ДИфОСфаТ карбоксилазиая"^ рИНОВОЙ КИС-фОирО! ЛШШЛеВсШ активность активность ПОТЫ
КИСЛОТа фермента фермента Ш1,
Молекулы Ог и CO2 конкурируют за каталитический центр фермента. И хотя сам фермент не обнаруживает повышенной чувствительности к молекулярному кислороду и, следовательно, не повреждается при
10*
295
его высокой концентрации, увеличение O2 в среде приводит к изменению функционирования рибулозодифосфаткарбоксилазы. Протекание ферментативной реакции по оксигеназному пути приводит к истощению клеточного пула С02-акцептирующих молекул рибулозодифосфата и, как следствие этого, ухудшению работы цикла Кальвина в клетке.
