XI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2019

Одним из механизмов защиты растительной клетки от избытка молекулярного кислорода и кислородных радикалов является потребление их дыхательными ферментами.

При правильном течении метаболизма около 90% всего потребляемого клеткой кислорода восстанавливается цитохромоксидазой в дыхательной цепи митохондрий – это приводит к образованию воды. При данных условиях возможная утечка электронов с промежуточных переносчиков дыхательной цепи, приводящая к образованию активных кислородных радикалов, составляет не более 2-5% от общего потребления кислорода.

Содержание активных форм кислорода может увеличиться в случае повышения скорости их образования или снижения способности клетки к их нейтрализации. При этом молекулярный кислород претерпевает превращения, приводящие к образованию некоторых высокореакционных продуктов (активных форм кислорода - АФК): супероксид-аниона (˙Оˉ₂), пероксида водорода (Н₂О₂), гидроксильного радикала (НО·), которые способны причинить прямой вред клетке в ходе метаболизма.

Проблема защиты от молекулярного кислорода у растений стоит особенно остро, так как они, осуществляя фотосинтез, постоянно подвергаются действию светового излучения и существуют при высоких концентрациях молекулярного кислорода, выделяя его в результате фотоокисления воды в хлоропластах. Газообразные загрязнители атмосферы, попадая в растения, дополнительно повышают концентрацию активных форм кислорода. Это такие компоненты смогов как оксиды азота, диоксид серы, сероводород и озон. Диоксид серы при участии супероксид-аниона продуцирует токсичные серосодержащие свободные радикалы. Действие озона приводит к образованию перекисных продуктов липидов, окислению SH-групп белков и другим окислительным повреждениям клеток растений. Наиболее чувствительны к действию кислородных радикалов растения в период появления всходов и в молодом возрасте.

В связи с этим у растений сформировалась сложная и эффективная защита от токсических форм кислорода, представленная ферментативной системой, состоящей из супероксиддисмутаз (СОД) различного спектра действия, каталазы и пероксидазы. Супероксиддисмутазы катализируют реакцию дисмутации супероксидных радикалов до пероксида водорода. Пероксид водорода разлагает до воды каталаза. Однако более эффективное и своевременное расщепление пероксида водорода осуществляется пероксидазой, использующей в качестве доноров водорода органические соединения фенольной природы.

Степень защиты растительного организма от активных форм кислорода определяется эффективностью работы и активностью каждого фермента антиоксидантной системы на протяжении всего вегетационного периода. Учитывая выше приведённые факты, представилось актуальным исследовать динамику активности растительной каталазы и пероксидазы.

Целью настоящей работы было анализ динамики активности вспомогательных ферментов тканевого дыхания вяза гладкого (UlmuslaevisPall).

Объект и методы исследования.Объектом исследования явился вяз гладкий (UlmuslaevisPall) - древесное растение семейства вязовые, класса двудольные. Выбор вида UlmuslaevisPall связан с достаточной его распространённостью в различных экологических условиях.

Исследование проводили в вегетационный период; активность ферментов определяли в листовых пластинках, взятых со среднего яруса растения ежемесячно с конца мая по начало октября.

Активность каталазы определяли спектрофотометрически по скорости утилизации пероксида водорода в реакционной смеси, в которую вносится биологический материал, содержащий фермент. Об интенсивности утилизации пероксида водорода судили по скорости снижения экстинкции при длине волны 260 нм, на которой пероксид водорода имеет максимум светопоглощения.

Расчёт активности каталазы производили по разнице экстинкций в опыте и контроле согласно закону Бугера-Ламберта-Бэра, при этом учитывался молярный коэффициент светопоглощения пероксида водорода при длине волны 260 нм ε = 22 М^-1∙см^-1.

Активность пероксидазы определяли визуальным методом, основанным на окислении индигокармина пероксидом водорода в слабокислой среде в присутствии пероксидазы. Относительную пероксидазную активность определяли как величину обратную времени в секундах (1/с), за которое изменялось окрашивание индигокармина. Реакцию окисления считали оконченной как только окрашивание индигокармина из ярко-синего переходило в бледно-жёлтое.

Результаты и их обсуждение.В ходе исследования было установлено, что активность каталазы увеличивалась скачкообразно на протяжении всего вегетационного периода; наименьшая была зафиксирована в мае 0,02 ммоль/мин∙г. Резкое её возрастание в 14 раз (0,28 ммоль/мин∙г) произошло в июле, что связано, по-видимому, с усилением интенсивности фотосинтетических и обменных процессов в растении в ответ на возрастание среднесуточных температур, продолжительности дня и возможного увеличения содержания газообразных токсикантов и пылевых частиц в воздухе. В это время увеличивается интенсивность дыхания, возрастает потребление кислорода и, как следствие, образование его активных форм, в том числе пероксида водорода, что стимулирует усиление активности каталазы. В августе-сентябре активность фермента значительно не изменялась, что, по-видимому, связано с сохранением высокой интенсивности метаболических процессов растительного организма. В последующий срок (в начале октября) активность фермента увеличилась в 21 раз по сравнению со значением активности фермента в мае. По-видимому, связано это с окончанием периода активной вегетации, накоплением в тканях растения токсикантов различной природы и, как следствие, повышенной продукцией активных форм кислорода, вызванной влиянием накопленных в растении поллютантов.

Активность пероксидазы в течение вегетационного периода изменялась сходным образом от 0,004 1/с до 0,660 1/с, однако выраженный рост активности фермента начался в более ранний осенний период, уже в августе и сентябре активность пероксидазы возросла по сравнению с маем в 6,0 и в 10,75 раза, соответственно. Раннее и значительное возрастание активности рассматриваемого фермента возможно связано с увеличением изоферментных форм пероксидазы, так как спектр функций пероксидазы в растительной клетке более широк по сравнению с каталазой.

Таким образом, на основании полученных результатов, можно сделать следующие выводы:

1. Скорость каталазного и пероксидазного разрушения пероксида водорода, а значит и активность данных ферментов имеет выраженную сезонную динамику; максимальная каталазная (0,42 ммоль/мин∙г) и пероксидазная (0,660 1/c) активность проявляется в сезон листопада, что в целом согласуется с данными литературных источников;

2. Повышение активности каталазы и пероксидазы в сезон листопада, вероятно, является следствием увеличения содержания активных форм кислорода в ответ на накопление в листьях токсических соединений различной природы.

^Выражаю благодарность научному руководителю ст. преподавателю кафедры биологии Оренбургского государственного медицинского университета Осинкиной Т.В. за помощь в подготовке данной работы.