Кузнецова М.В., Тимчук А.А., Полишко Т.Н., Винников А.И.

Днепропетровский национальный универсистиет

ПЕРЕКИСЬ ВОДОРОДА И ЕЕ РОЛЬ В МЕТАБОЛИЗМЕ КЛЕТОК

        Бактерии постоянно подвергаются воздействию разного рода стрессов, которые могут быть следствием резких изменений, параметров окружающей среды. К их числу относится окислительный стресс. В обычных условиях уровень активных форм кислорода (АФК)  способных повреждать практически все молекулярные компоненты клеток поддерживается на безопасном уровне благодаря активности антиоксидантных систем. В определенных условиях уровень оксидантов может превышать способность антиоксидантных систем к их детоксикации, следствием чего может быть снижение активности клеток, вплоть до полной гибели. Бактерии конституитивно синтезируют антиоксидантные ферменты, а также обладают механизмами адаптивного ответа, благодаря которым предварительное действие малых доз оксидантов вызывает повышенную устойчивость к последующему действию больших доз. [1]                                                                                                                                                                                                     

Одним из главных внутриклеточных источников Н2О2 может быть дыхательная цепь, продуцирующая их, как побочные продукты в процессе аэробного метаболизма. Повышение концентрации активных форм кислорода до уровня, вызывающего окислительный стресс, происходит в результате нарушения нормального метаболизма при экстримальных воздействиях. [2]                                                                                                                                                                                                                                                                                                         

Среда, окружающая живые микроорганизмы, характеризуется, как правило, окислительными условиями, а внутриклеточное состояние поддерживается в области восстановительных значений. Это очень важно для жизнедеятельности клеток, поскольку его нарушение может сопровождаться повышением уровня активных форм кислорода. Поддержание нормального редокс - состояния внутри клеток играет существенную роль в таких процессах, как синтез ДНК, экспрессия генов, ферментативная активность и другие. С другой стороны, изменения редокс - состояния внутриклеточного содержимого и отдельных молекул, являющиеся следствием стрессовых воздействий или результатом активности самих клеток, вовлечены в регуляцию клеточных процессов. [3]

       Активные формы кислорода как средства, гибельные для инфекционных возбудителей, неспроста широко утилизируются в мире живого. У животных и человека фагоциты расправляются с инфекционными возбудителями с помощью АФК. У растений распространен гиперчувствительный ответ, при котором от АФК погибают не только патогены, но и клетки растений, инфицированные ими.

 АФК могут образовываться в клетках как вторичные продукты аэробного метаболизма и генерироваться ферментными системами для уничтожения патогенных микроорганизмов, так и в результате воздействия на организм факторов окружающей среды, таких как ионизирующее и УФ - излучение, ксенобиотики, антибиотики и другие. В результате различных физических воздействий водные растворы становятся химически активной реакционной средой. Биологические объекты, в свою очередь, являются сенсорами тех процессов, которые происходят в окружающей их водной среде. По современным представлениям, АФК, образующиеся в клетках и межклеточной среде, играют двоякую роль. С одной стороны, они вызывают повреждение биологических структур, таких как ДНК, белки и липиды, в процессах окислительного стресса. С другой стороны, АФК, присутствующие в определенных физиологических концентрациях, выполняют важную сигнальную функцию, свидетельствуя о том, что данная водная среда пригодна для поддержания процессов жизнедеятельности осуществления редокс - регуляции различных клеточных функций. [4]

Из - за высокой реакционной способности Н2О2 может повреждать любые макромолекулы, однако в нормальных условиях наличие антиоксидантной защиты позволяет клеткам поддерживать внутриклеточную концентрацию оксидантов на безопасном уровне. При определенных условиях повышения скорости продукции АФК над скоростью их детоксикации может приводить к повреждению и гибели клеток, вызванных окислительным стрессом. В низких концентрациях АФК способны участвовать в регуляции различных клеточных функций у эукариот, таких как пролиферация, биосинтез гормонов, хемотаксис, апоптоз. Особую роль в регуляции клеточной активности играет Н2О2. Это связано с тем, что Н2О2 относительно стабильно генерируется клетками как побочный продукт метаболизма и легко проникает через биологические мембраны, что позволяет ей участвовать как во внутриклеточной, так и межклеточной сигнализации. Один из путей, по которым Н2О2, как и другие АФК, может участвовать в регуляции - это изменение внутриклеточного редокс - статуса за счет окисления молекул (например, глутатиона). Внутриклеточная концентрация Н2О2 выше 1 мкМ токсична для клеток, при ней неизбежно повреждение большого числа биомолекул и это существующее состояние окислительного стресса. Концентрации Н2О2, используемые клетками для регуляторных целей находятся в очень узком диапазоне (1-800 нМ).

Интересные данные получены Самуиловым В.Д и другими при воздействии перекиси на клетки цианобактерий. Медленнорастущие цианобактерии по своим характеристикам сходны с быстрорастущей E. coli. На клетки цианобактерий полумаксимальное ингибирующее действие на фотосинтезирующую способность Н2О2 оказывает уже при концентрации 0,75 мМ. В концентрации 14 мкМ Н2О2 ингибирует фиксацию СО2 .[5]

Наиболее полно механизм, с помощью которого клетки чувствуют уровень оксидантов и активируют системы антиоксидантной защиты, изучены из дрожжей и бактерий. У Sacharomyces cereviseae Н2О2 сенсор включает оксидантный рецептор и включается система регуляции, которая функционирует как ауторегулируемая система, способствующая поддержанию внутриклеточной концентрации Н2О2 на безопасном для клетки уровне. При обработке бактерий E. coli низкими концентраціями Н2О2 активируется экспрессия ряда генов, включенных в защиту клеток от перо - ксидного стресса ( активирующая концентрація in vitro – 0,05-0,2 мкМ).

 Нами изучено влияние Н2О2 ,вне клеточного происхождения на клетки таких микроорганизмов:  Proteus mirabilis, Staphylococcus aureus 209, Escherichia Coli.

   Результаты показывают, что Н2О2 в концентрации 10 мМоль полностью подавляет рост клеток, в концентрации 1 мМоль -  от 60 - 84  %, и        0,1 мМоль – от 20 - 50 %. Оптимальная продолжительность контакта Н2О2 с клетками во взвеси - 15 минут.

Полученные результаты еще раз подтверждают литературные данные о сильном бактерицидном эффекте перекиси водорода, который зависит от концентраций растворов Н2О2, времени контакта клеток с АФК, от концентрации клеток во взвеси.

 

Литература:

1. Meльникова Е.Б., Ланкин В.З., Зенков Н.К.,Бондарь И.А., Крутовых Н.Ф.,Труфакин В.А., 2006.В кн. Окислительный стресс. Прооксиданты и антиоксиданты.Слово.Москва 553стр.

2. Октябрьский О.Н.Смирнова Г.В., 2007г. Редокс - регуляция клеточных функций .Биохимия 2007.72вып. 2.- С. 158-174.

3.Штаркман И.Н.,Гудков С.В., Черников А.В., Брусков В.И., Влияние аминокислот на образование перекиси водорода и гидроксильных радикалов в воде и 8 - оксогуанина в ДНК при воздействии ренгеновского излучения. ж.Биохимия 2008, т73 вып. 4.- С.576 – 586.

4.Лущак В.И. Окислительный стресс и механизмы защиты от него у бактерий / В.И. Лущак // Биохимия. - 2001. - Т. 66, Вып. 5. - С. 592 - 609.

5. Самуилов В.Д., Безряднов Д.В., Гусев М.В., Киташов А.В., Федоренко Т.А., ж. Биохимия 2001г. т 66 вып. 6. - С. 790 -796. Н2О ингибирует фотосинтетический транспорт электронов в клетках цианобактерий.