2.2.6. Реакции озона с регуляторами роста и развития

Реакции озона с регуляторами роста и развития растений - фитогормонами, являются особенно важными, поскольку эти вещества действуют в очень малых количествах (10^-5-10^-11М), и легко могут инактивироваться под действием озона, активных форм кислорода и свободных радикалов.

В настоящее время известны 5 групп фитогормонов: ауксины, гиббереллины, цитокинины, абсцизовая кислота и этилен. Значение их состоит в химическом запуске физиологических программ растений.

Ауксины. Главным представителем ауксинов, группы природных соединений, стимулирующих клеточное деление (митоз), корнеобразование, дыхание и синтез белка в растениях, является индолилуксусная кислота. Под действием озона в индольном кольце индолилуксусной кислоты разрывается двойная связь и образуется озонид (Рис.13). Все продукты окисления индолилуксусной кислоты способны ингибировать рост растений.

Рис.13. Реакция озона с индолилуксусной кислотой

Гиббереллины. Эта группа фитогормонов относится к терпеноидам. Число гиббереллинов, химическая структура которых во многих случаях незначительно различается между собой, очень велико (более 70). Первичный эффект гиббереллинов состоит в изменении свойств мембран, набора РНК и функционирующих ферментов. Гиббереллины стимулируют рост стебля, увеличивают размеры плодов, изменяют форму и величину цветков, ускоряют прорастание семян и влияют на другие процессы. Важнейший из гиббереллинов – гибберелловая (гиббереллиновая) кислота, как и другие представители этого класса, состоит из 4-х изопреновых остатков, образующих 4 кольца. Можно предположить, что при наличии двойных связей, в первую очередь разрываются именно они. Разрыв колец А и В приводит к инактивации гиббереллина.

Гибберелловая кислота	Цитокинин

Цитокинины - вещества, стимулирующие клеточное деление (цитокинез) и задерживающие процессы старения. С химической точки зрения цитокинины представляют собой производные аденина с боковой цепью различного строения.

При взаимодействии с озоном возможны изменения в структуре пуринового кольца, что приводит к снижению и даже полной потере активности. Цитокинины обладают антиоксидазным действием, которое связано с их способностью взаимодействовать с супероксидным радикалом в результате чего образуется соответствующий радикал, затем гидроперекись и, наконец, кетон (Рис. 14).

Рис.14. Взаимодействие цитокинина с супероксид анионрадикалом (Ад - аденин, R - радикал)

Абсцизовая кислота. Абсцизовая кислота - наиболее распространенный ингибитор роста растений - антагонист ауксинов, гиббереллинов и цитокининов. По химической природе абсцизовая кислота относится к группе сесквитерпенов (С₁₅), состоящим из трех изопреновых единиц с одиночными карбоксильной, гидроксильной и оксигруппами. При окислении озоном наиболее уязвимой частью молекулы, по-видимому, также, как и в других случаях, являются двойные связи. Кроме того, происходит потеря активности в основном в результате окисления одной из метильных групп в положении 6 до СН₂ОН.

Абсцизовая кислота

Этилен. Этилен обладает всеми свойствами фитогормонов. Он вызывает ряд физиологических эффектов, из которых важнейшими является созревание сочных плодов и стимуляция опадания листьев. Основной механизм взаимодействия с озоном осуществляется согласно Криге-реакции, в которой происходит расщепление двойной связи, появляются свободные радикалы и пероксиды. Этилен является источником 4-х видов Криге радикалов (Рис.15). Эти свободные радикалы этилена запускают цепь неконтролируемых окислительно-восстановительных реакций сначала в липидах мембран; а затем в цитоплазме клеток. Стабильность интермедиантов Криге уменьшается от диоксирана к пероксиметилену.

Диоксиран метилен бис /окси/ пероксиметилен планарный планарный перпендикулярный

Рис.15. Продукты реакции (Криге - радикалы), образующиеся при взаимодействии этилена с озоном

В растворе интермедиаты Криге реагирует с альдегидами и кетонами, в результате образуются вторичные озониды, которые являются стабильными пероксидами .

Фенолы. К числу так называемых физиологически активных соединений относятся фенолы и их производных, среди которых многие являются гормональными веществами. Фенолы реагируют с озоном по радикальному механизму с отрывом водорода от оксигруппы и раскрытием ароматического цикла. Промежуточные продукты этих реакций озониды и хиноны (Рис.16).

Рис.16. Продукты реакции - хиноны и озониды, образующиеся при взаимодействии озона с фенолами

2.3. Активные формы кислорода, образуемые озоном, и их реакции в клетке

Реакции с озоном в клетке происходят в водной среде, где возникают новые активные формы кислорода в результате восстановления молекулярного кислорода (рис.17). Присоединение одного электрона к молекуле кислорода в основном состоянии приводит к образованию супероксидного анионрадикала. Присоединение двух электронов и двух протонов к молекуле кислорода или одного электрона и двух протонов к супероксид анионрадикалу приводит к образованию Н₂О₂. Перекись водорода служит источником появления гидроксилрадикала Н (при присоединениии 1-го электрона и 1-го протона). То же происходит при присоединении к О₂ 3-х электронов и З-х протонов.

Для биологических процессов наиболее важны радикалы кислорода , , , которые вместе с Н₂О₂ и синглетным кислородом носят название активных форм кислорода. Перекись водорода, хотя не является радикалом, имеет значение в окислительных реакциях образования и превращения свободных радикалов. К нерадикальным формам активного кислорода относят и синглетный кислород ( ). Механизм биологического действия озона, по крайней мере, частично,

Рис. 17. Схема последовательного восстановления молекулы кислорода. Показано образование промежуточных активных продуктов: супероксидного анионрадикала , перекиси водорода Н2О2 и гидроксильного радикала Н

включает участие активных форм кислорода, образуемых и из озонидов - свободных радикалов и перекисей. Может возникать и синглетный кислород, но его влияние на живые системы менее изучено.

В зависимости от времени их жизни и радиуса диффузии (Таблица 1) активные формы кислорода вызывают различные эффекты в живых

Таблица 1. Времена жизни и радиусы диффузии активных форм кислорода в биологических субстратах [Зенков ,Меньщикова, 1993].

Активная форма кислорода	Время жизни, с	Радиус диффузии, мкм
Н гидроксилрадикал	10-9	< 0,01
супероксидный анион-радикал	10-6	0,3
О½ синглетный кислород	10-6	0,3
R алкоксильный радикал	10-6	зависит от R
Н 2 пергидроксильный радикал	10-3	10
R 2 перекисный радикал	101	зависит от R
H2O2 перекись водорода	зависит от каталазы и пероксидазы

клетках. Полагают, что внутриклеточные реакции на озон обусловлены, главным образом, за счет активных форм кислорода.