Общие защитные механизмы при стрессе. Основные антиоксидантные системы.

Общий адаптационный синдром (стресс) - это общий неспецифический ответ организма на вредоносные воздействия..На стресс на любом уровне характеризуется следующей последовательностью реакций. Начинается стресс стадией тревоги (alarm - реакции), во время которой мобилизуются защитные силы клетки, но резистентность (сопротивляемость) к стрессору падает ниже нормы. Причем, если реакция оказывается слишком сильной, то организм погибает уже на этой стадии. На этапе тревоги стресс запускает адаптивные функции - на физиологическом уровне - прежде всего в мозге, откуда сигнал передается к системам регуляции - к исполнительным органам, а на клеточном уровне - активирует экспрессию стрессовых генов.

В ходе длительного нелетального воздействия наступает фаза адаптации, или резистентности - сопротивляемость организма возрастает, негативные симптомы стадии тревоги угасают, возрастает анаболическая активность - достигается состояние равновесия в присутствии стрессора. Продолжение или прекращение действия слабого стрессора означает выход из состояния стресса. Повторное действие слабых стрессоров ускоряет процесс их преодоления, тренирует защитные механизмы.

Самой уязвимой структурой, в первую очередь повреждаемой при стрессе, являются мембраны. Значение клеточных мембран в развитии стресс-реакции обусловливается тем, что на ней расположено большое количество рецепторов для фитогормонов и элиситоров. В клетке есть несколько систем передачи информации. Общая картина передачи информации от внеклеточного сигнала к эффектору пока до конца не изучена. В основе всех форм внутриклеточной регуляции лежит единый принцип: белковая молекула-рецептор «узнает» специфический для нее фактор, и, взаимодействуя с ним, изменяет свою конфигурация. Существует 3 основных типа рецепторов, интегрированных во внешнюю клеточную мембрану:1. рецепторы, сопряженные с G-белками;2. рецепторы, ассоциированные с ферментами;3. рецепторы-ионные каналы.

Одной из ранних ответных реакций организма на действие стрессовых факторов является изменение состава отдельных классов липидов, текучести мембран. Увеличивается проницаемость мембран в результате изменения молекулярного состава их компонентов. Это приводит к обратимому выходу ионов калия из клетки и входу ионов кальция из клеточной стенки, вакуоли, ЭПР, митохондрий.Одним из наиболее ранних проявлений стрессовой реакции являются изменения разности электрических потенциалов на плазмалемме, которые включают ряд стадий, соответствующих фазам процесса адаптации по Г.Селье. Первоначальное снижение потенциала действия (ПД) после латентного периода сменяется фазой адаптивной реполяризациии, а при сильном действии фактора наступает глубокая деполяризация. Генерация ПД сопровождается активацией электрогенного Н+-насоса плазматической мембраны, что является первичным неспецифическим процессом, происходящим в клетках при действии самых разнообразных факторов: механической деформации, света, температурного воздействия, химической и электростимуляции, электромагнитных волн.

Несомненную роль в развитии клеточных адаптационных реакций играет Са2+, как вторичный мессенджер. Предполагается участие Са2+ в генерации потенциала действия у растений, что может быть одним из механизмов передачи сигнала о стрессе. При различных неблагоприятных воздействиях в цитоплазме значительно возрастает доля свободного кальция, приводя к деполяризации мембран и активации НАДФН-оксидазы, в результате чего происходит усиление продукции АФК и в дальнейшем увеличение проницаемости мембран, приводящее к массивному выходу электролитов.

Увеличение проницаемости мембран и торможение H+-АТФ-азы ведут к закислению цитоплазмы. Снижение pH цитоплазмы способствует активации гидролаз, большинство который имеет оптимум pH в кислой среде. В результате усиливаются процессы распада полимеров, направленных, в частности, на деполимеризацию макромолекул и, таким образом, на обеспечение необходимого для создавшихся условий пула низкомолекулярных соединений: моносахаридов амидов, аминокислот и полиаминов, карнозина, свободных жирных кислот и окисленных производных ненасыщенных жирных кислот, неорганического фосфата и продуктов деградации адениновых нуклеотидов и других соединений, которые выполняют очень разнообразные функции.

Мономерные соединения могут служить субстратом для синтеза стрессовых белков, фитогормонов и др. Мономеры используются в качестве субстратов дыхания, с чем связывают их энергетическую роль.Низкомолекулярные углеводы способны связывать свободные радикалы, предотвращая индуцируемые ими окислительные процессы и активно используются в энергетических процессах. Пролин стабилизирует белки, полирибосомы, мембраны, защищает ферменты, регулирует рН цитоплазмы в условиях стресса.Такие мономеры, как моно- и олигосахариды, аминокислоты, прежде всего пролин, бетаин, связывают воду, что особенно важно для сохранения внутриклеточной воды при повышении проницаемости мембран и облегчении выхода воды из клетки.

Полиамины способны поддерживать нативную структуру нуклеиновых кислот, стабилизировать мембраны и перехватывать радикалы. Академик И.А. Тарчевский (2001) говорит об энергетической, о корректирующей функции продуктов биодеградации, которые способны устранять биополимеры с «неправильной структурой» и участвовать в синтезе наиболее востребованных в условиях стресса биополимеров.Имеется информация о том, что продукты деградации белков и липидов обладают свойствами активаторов и ингибиторов процессов метаболизма, оказывая влияние на рост и морфогенез растений.

Роль поддержания концентрации АФК на относительно стабильном низком уровне отводится многокомпонентной системе регуляции процессов активации кислорода, без которой функционирование клеток в аэробной среде было бы невозможно. В биологических системах антиоксидантами называются вещества, способные ингибировать процессы свободнорадикального окисления.

Согласно Ю.А. Владимирову (2000) все антиоксиданты можно разделить на 4 класса:

а) антиоксидантные ферменты: супероксиддисмутазы, каталаза, пероксидазы;

б) низкомолекулярные соединения, взаимодействующие с радикалами и образующие малоактивные продукты;в) комплексоны ионов металлов, тормозящие их окисление и восстановление; г) гидрофобные соединения, действие которых основано на торможении реакций, непосредственно протекающих в липидном слое мембран - холестерин и токоферол.

По механизму действия антиоксиданты можно разделить на:

1."мусорщиков" (scavenger of free radicals), которые очищают организм от всех свободных радикалов, чаще всего восстанавливая их до стабильных неактивных продуктов;

2."ловушки" (trap of free radicals) - антиоксиданты, которые имеют сродство к какому-то определенному свободнорадикальному продукту (ловушки синглетного кислорода, гидроксил-радикала и т.д.). Ловушки часто используют для уточнения механизма свободнорадикальной реакции.

3. антиоксиданты, обрывающие цепи (chain breaking antioxidants) - вещества, молекулы которых более реакционноспособны, чем их радикалы. Чаще всего это фенолы, которые легко отдают свои электроны, превращая радикал, с которым они прореагировали, в молекулярный продукт, а сами при этом превращаются в слабый феноксил-радикал, который уже не способен участвовать в продолжении цепной реакции.

Низкомолекулярные антиоксиданты имеют наибольшее значение на самых ранних этапах активации повышенного образования АФК и вместе с ферментом супероксиддисмутазой составляют первую линию защиты от АФК. Однако, в дальнейшем их количество быстро истощается и зависит от активности восстанавливающих их ферментов. Эти вещества, отдавая свой атом водорода, превращают свободные радикалы в стабильные молекулы и предупреждают цепное развитие реакций перекисного окисления.

К антиоксидантам относится очень большое число веществ различной химической природы: фенолы и полифенолы, витамины группы Е, С, Р и А, стероидные гормоны (в частности эстроген), а также фосфолипиды и серосодержащие соединения.

Наиболее значительный вклад в антиоксидантную защиту вносят глутатион (ГSH) и аскорбиновая кислота (Аск). Они находятся в водной фазе клетки. Эти вещества перехватывают свободные радикалы, восстанавливают АФК и продукты окисления мембран. Основной антиоксидантный эффект этих соединений реализуется посредством их участия в работе ферментов, субстратами которых они являются.

L-Аскорбиновая кислота (аскорбат, витамин C) - необходимое вещество, которое находится в большом количестве в растительных тканях и играет очень важную роль. Она оказывает существенное влияние на некоторые физиологические процессы растений, включая рост, дифференциацию тканей и органов, метаболизм. Функция аскорбата - восстановление многих свободных радикалов и минимизация разрушения окислительного стресса.Ее синтез происходит в цитозоле из D-глюкозы в несколько стадий. Сначала происходит окисление 1С атома глюкозы, затем - формирование двойной связи между 2 и 3 атомами С.Антиоксидантные свойства аскорбата основаны на существовании одноэлектронных циклических переходов между дигидро-, монодегидро- и дегидроаскорбатными формами. Именно поэтому первой мерой для повышения сопротивляемости заболеваниям, которую рекомендуют врачи - прием ударной дозы аскорбиновой кислоты. Но в присутствии ионов металлов переменной валентности аскорбат обладает прооксидантным эффектом.

127. Механизм поступления натрия и борьба с засолением. Способы защиты от избытка солей. Система SOS_1-3.

Nа+, К+-насос изучен в животных клетках и установлено, что его «приводит в движение» АТФ. О его физиологическом значении свидетельствует тот факт, что более трети АТФ, потребляемого животной клеткой в состоянии покоя, расходуется на перекачивание натрия и калия. Это необходимо для сохранения клеточного объема (осморегуляция), для поддержания электрической активности в нервных и мышечных клетках и, наконец, для активного транспорта некоторых других веществ, например Сахаров и аминокислот. Высокие концентрации калия требуются также для белкового синтеза, глико-лиза, фотосинтеза и для некоторых других жизненно 3 важных процессов.

Насос-это особый белок, локализующийся в мембране таким образом, что он пронизывает всю ее толщу. С внутренней стороны мембраны к нему поступают натрий и АТФ, а с наружной – калий.Перенос натрия и калия через мембрану совершается, как полагают, в результате конформационных изменений, которые претерпевает этот белок. Белок действует и как АТФаза, катализируя гидролиз АТФ с высвобождением энергии, которая и приводит в движение насос. Обратите внимание, что на каждые два поглощенных иона калия из клетки выводится три иона натрия. Вследствие этого содержимое клетки становится более отрицательным, по отношению к внешней среде, а между двумя сторонами мембраны возникает разность потенциалов.Выкачиваемый из клетки натрий обычно пассивно диффундирует обратно в клетку. Однако мембрана мало проницаема для натрия, и потому эта диффузия в обратном направлении происходит очень медленно. Для ионов калия мембраны приблизительно в 100 раз более проницаемы, чем для натрия; соответственно и диффундирует калий гораздо быстрее.

Натрий, выкачиваемый из клетки натрий - калиевым насосом, стремится диффундировать обратно в клетку. В мембране находится белок, которому для выполнения его функции требуются натрий и глюкоза. Они транспортируются в клетку вместе пассивно. Таким образом, натрий «тянет» глюкозу вместе с собой в клетку. Активный транспорт аминокислот совершается при участии аналогичного белкового «натрий - аминокислотного» переносчика; активной частью этого процесса является выкачивание натрия обратно, наружу. При отсутствии градиента концентрации натрия оба эти переносчика тоже могут работать, если только наружная концентрация глюкозы или аминокислот превышает их внутреннюю концентрацию, т. е. в таких случаях имеет место облегченная диффузия.

Выживание любого растения в условиях избыточного засоления в значительной степени зависит от способности клеток поддерживать ионный гомеостаз. Содержание ионов в цитоплазме определяется как барьерными функциями мембран, особенно плазмалеммы, так и скоростью выделения ионов в апопласт. Барьерная функция каждой мембраны зависит от ее проницаемости, определяемой ее структурой и работой транспортных систем. Поступающие при засолении в клетку ионы выводятся из цитозоля при помощи ионных насосов. Галофиты по сравнению с гликофитами поддерживают концентрацию ионов натрия в цитоплазме постоянной. У соленакапливающих галофитов, например, у сведы морской, кохии американской и у многих морских водорослей при наличии крупной центральной вакуоли транспортные белки тонопласта переносят ионы натрия и хлора в вакуоль.

Снижение внутриклеточного содержания Na+ и Cl-, как можно думать, обусловлено включением насосов, со специфическими АТФазами, или, как их называют, «транспортными» АТФазами. Установлено, что центральную роль в ионно-транспортных процессах в плазматической мембране у растений-гликофитов играет Н+-насос (Н+-АТФаза). Функция протонного насоса состоит в выведении Н+ из цитозоля в наружную среду. Перенос Н+ осуществляется против термодинамического градиента за счет энергии АТФ. В результате на мембране генерируется градиент электрохимического потенциала протонов. Эта энергия далее может быть использована для переноса других ионов, в частности, может выводится из клетки Na+. Также существует специальный механизм ионообменной диффузии - Н+/ Na+-антипортер. Он обменивает Н+ внешней среды на внутриклеточный Na+ в цитозоле, таким образом, снижается уровень Na+ в клетке. Н+-насос обеспечивает также пренос К+ в клетку. Н+ помпа является электрогенной, поэтому увеличение электрического потенциала на мембране, происходящее при АТФ-зависимом транспорте Н+ наружу, приводит к смещению равновесия для положительно заряженного К+, и он поступает в клетку.Другая возможность состоит в том, что помимо Н+-насоса (Н+-АТФаза) и Н+/ Na+-антипортера в переносе Na+ учавствует дополнительная первичная ионная помпа (транспортная АТФаза), которая может включаться при щелочных значениях рН среды и быть специфичной для галофильных растений.

Повышенная концентрация растворов солей натрия, калия, лития, а также ионов хлора и азотистых оснований (амины и аммиак) нарушает проницаемость клеток. Однако при достаточной обеспеченности растений кальцием эти факторы уже не могут столь значительно влиять. В цитоплазме кальций также может образовывать комплексы с жирными кислотами, аминами, минеральными фосфатами, органическими соединениями и т.д. При высоком содержании в клеточной среде, например в условиях засоления, такие полиамины как кадаверин, путресцин, спермин и полилизин выступают как сильные конкуренты за связи с кальцием в других функциональных компонентах и могут стать вторичными факторами в проявлении токсического действия солей.