20

Глава 1. Транспорт озона в клетках и клеточные реакции

Биологический эффект озона зависит от того, как далеко продвинулся он в живых клетках. На пути в клетку газ преодолевает сопротивление ряда компартментов и структур, в каждом из которых вступает в реакцию с компонентами клеток и модифицируют их.

1.1. Проникновение и движение озона в клетке

Первичным барьером для проникновения озона в цитоплазму клеток служит плазматическая мембрана (Рис.5). Но только у животных газ прямо взаимодействует с плазматической мембраной. У микроорганизмов и растений, чтобы до нее добраться, озон проходит первоначально

Рис.5. Путь проникновения озона в клетку

через клеточные стенки: 1. пептидоглюкановые у микроорганизмов или 2.целлюлезные у растений (покрытые верхним восковым слоем – кутикулой у вегетативных клеток растений, или образующие многослойную экзину из полимерных соединений вегетативных микроспор у споровых растений и генеративных спор или иначе пыльцы, у семенных видов). У растений О₃ проникает из эпидермальных клеток листьев и стеблей в нижележащие ткани через открытые устьица и поры к клеткам, выстилающим межклеточные пространства,

Можно выделить три этапа при транспорте озона в клетку в зависимости от его действующей концентрации (Рис.6). На первом из них небольшие концентрации озона при кратковременных экспозициях обычно внутрь клетки не проникают, поскольку вступают в реакции с поверхностными компонентами, образуя свободные радикалы, озониды и перекиси, которые далее и воздействуют на клетку. Защитным барьером от проникновения озона и продуктов озонолиза внутрь клеток тканей служат антиоксиданты, которые их нейтрализуют. Определенная часть антиоксидантов концентрируется и в плазматической мембране,

Низкие дозы озона поглощаются антиоксидантами (белковые и небелковые соединения, низкомолекулярные вещества) клеточной стенки) и экстраклеточного пространства	Низкие и средние дозы озона соединяются с сенсорами (рецепторами) и происходит передача сигнала внутрь клетки. Озон и его производные не проникают внутрь клетки, а действуют на клеточной поверхности	Высокие дозы озона вызывают повреждение цитоплазматической мембраны, и газ проникает внутрь клетки
Рис.6. Схема проникновения озона внутрь клетки и мишени взаимодействия с клеточными компонентами

что также препятствует проникновению газа внутрь клетки. У микроорганизмов и растений, наряду с плазматической мембраной, озон влияет на клеточные оболочки. Так у микроорганизмов и растений первичным местом взаимодействия газа с поверхностью является клеточная стенка разной структуры и экстраклеточное пространство между клеточной стенкой и плазмалеммой. Образующиеся на клеточной поверхности продукты озонолиза, свободные радикалы и перекиси, если их концентрация невелика, вызывают только небольшие функциональные изменения, часто обратимые, например, окислительную модификацию белков и липидов плазматической мембраны, усиливая или ослабляя активность мембраносвязанных ферментов, окруженных липидной фазой. Основные эффекты озона связаны прежде всего с воздействием на мембраны. Но главная мишень озона – плазмалемма. В плазмалемме происходит окисление рецепторов, с помощью которых формируется основной ответ на воздействие озоном у всех организмов. Состояние этой мембраны влияет как на узнавание окислителя сенсором- рецептором, так и на передачу хемосигнала внутрь клетки, регулируя активацию систем вторичных мессенджеров - циклических нуклеотидов, инозит-3-фосфата, ионов Са²⁺. При этом ни озон, ни его производные внутрь клетки не проникают. В конечном итоге небольшие дозы озона и продуктов озонолиза регулируют рост и развитие клеток без видимых признаков повреждения. Но при высоких концентрациях озона происходит повреждение плазматической мембраны. Тогда озон и его производные поступают внутрь клетки и здесь могут непосредственно взаимодействовать с органеллами, и у всех организмов имеет место озонолиз компонентов мембран. Таким образом, при рассмотрении эффектов озона на клеточном уровне возникает вопрос о глубине проникновения озона в клетку.

Отметим особенности взаимодействия озона с клеточными оболочками микроорганизмов. У вирусов озон вызывает повреждение полипептидных цепей на их поверхности, что нарушает способность вируса прикрепляться к клеткам-мишеням хозяина, а также способности расщеплять нити нуклеиновой кислоты, после чего вирус не способен к репликации и гибнет. У мицелия патогенных грибов озон нарушает плазматическую мембрану, а затем и внутриклеточные мембраны, что приводит к деформациям гиф - перекручиванию, сморщиванию и др. Озон в концентрациях от 1 до 5 мг/л приводит к гибели большего числа бактерий в течении 4-20 мин. Стенки бактерий и грибов состоят из пептидогликанов (N-ацетилглюкозаминовые остатки, у грибов еще и хитин), и соответственно мало двойных связей, поэтому внедрение озона и производных активных форм кислорода происходит путем разрыва преимущественно ковалентных связей. Это нарушает или разрывает белковые и полисахаридные цепи, вызывая инактивацию мембранных белков. Более того, озон может соединяться с мембранными липидами, вызывая перекисное окисление липидов, а затем и разрыв наружной мембраны бактерий.

Определенные особенности во взаимодействиях с озоном есть и у растений. Значительную роль для потока газа внутрь листа играют морфологические особенности поверхности растений - плотность и расположение трихом, кутикулярные свойства эпидермальных клеток. Опушенная листовая поверхность сорбирует больше озона, чем гладкая, и устойчивость к озону ассоциируется с плотностью трихом на поверхности листа. Часть озона на поверхности растительной клетки поглощается кутикулой, а остальная часть проходит внутрь. Строение и химический состав кутикулы также играют здесь важную роль, поскольку при хроническом озонировании ее эпикутикулярные воска (например, в сосновой хвое) деградируют. Озон вызывает повреждение кутикулярного слоя за счет реакции с липидами (идет их перекисное окисление) и с ненасыщенными углеводородами. При концентрации озона более 70 частей на млрд. (0,07 часть/млн.) происходит потеря вторичных спиртов, диолов, и жирных кислот. Накопление монотерпенов в апопласте и клеточной стенке приводит к интенсивному их окислению озоном, что также вносит вклад в повреждение кутикулярного слоя. Кроме того, в клеточных стенках растений содержатся такие соединения с двойными связями как фенолы и каротиноиды, с которыми озон также легко вступает в реакции.