и. Еще в начале столетия В. И. Палладии создал теорию, согласно которой полифенолы играют важную роль промежуточных катализаторов дыхания в растительном организме. Они были названы дыхательными хромогенами, которые обратимо превращаются в хиноны, а использование кислорода для окончательного окисления органического вещества совершается посредством промежуточных медиаторов. Окисление полифенолов и перенос ими кислорода на другие химические соединения происходят при непосредственном участии фермента пероксидазы.

Б. А. Рубин и Л. Н. Логинова [1973] показали, что пероксидаза может осуществлять альтернативные пути окислительно-восстановительных реакций. Так,' одна или больше митохондриальных изопероксидаз участвуют в побочном пути электронного транспорта без связи с участком окислительного фосфорилирования. Пероксидаза может выполнять роль и анаэробной дегидрогеназы (NAD ¦ Нг-дегидрогеназы или NAD • Н-цитохром-с-редуктазы), что свидетельствует о вероятном функционировании этого фермента в. качестве переносчика электронов. Электроны, полученные от восстановленных пиридиннуклеотидов, пероксидаза передает на различные акцепторы и, следовательно, представляет собой одно из звеньев цепи переноса электронов в митохондриальной альтернативной дыхательной цепи [Рубин, Ладыгина, 1974].

20

Субстрат \

NAD • Н2 —*- ФП —*- Цитохром*

Пероксидаза Фенолы Мп2+

о2

Б. А. Рубин и др. [1968] указывали на возможность участия пероксидазы в процессе аэробного дыхания и запасания энергии через окисление NAD - Н2.

Г. Д. Миронова и Т. В. Сирота [1977] представили экспериментальные данные об участии пероксидазы в процессах, связанных с синтезом в митохондриях соединении, богатых запасенной энергией. Ими показано, что фосфорилирование сопровождается снижением количества перекиси водорода и повышением активности пероксидазы. Добавление фермента к митохондриям вызывает сопрягающий эффект, а ингибирование пероксидазы приводит к подавлению дыхания. При исключении перекиси водорода из инкубационной среды отмечается угнетение АТР-синтетазной и АТРазной активности. Таким образом, пероксидаза является ферментом, регулирующим уровень перекисных соединений.

Ю. Н. Владимиров и А. И. Арчаков [1972] установили, что образование умеренного количества перекиси липидов в мембранах митохондрий оказывает положительный эффект на их функционирование. Следовательно, участие пероксидазы в процессах дыхания тесно переплетается с синтезом перекисей и регуляцией образования ATP. А. М. Качурин и В. Н. Фомичев [1982]. предполагают, что в транспорте электронов в дыхательной цепи участвуют ароматические аминокислотные остатки фермента, расположенные вблизи активного центра, и что они взаимодействуют как с п-электронной системой феррипорфирина, так и с п-элек-тронами соответствующих субстратов.

Каждой из клеточных структур свойственны свои специфические дыхательные цепи, имеющие сходство и различия. Известно, что в случае снижения аэрации органов растений активность пероксидазы резко возрастает, что указывает на определенную ее роль в использовании кислородных ресурсов клетки. Однако пероксидаза весьма сильно активируется и в условиях достаточного снабжения растительной клетки кислородом [Рубин, Ладыгина, 1974], что подчеркивает регуляторную функцию пероксидазы в дыхательных процессах растительного организма.

Характерное повышение дыхания наступает при различных стрессовых состояниях. Затем идет постепенное ослабление его интенсивности. Так, например, сразу после заражения растений вирусами активность дыхания повышается, а затем падает [Рубин и др., 1968; Рубин, 1975]. При этом пик активности дыхания зараженных тканей коррелирует с повышением деятельности окислительных ферментов и наступает раньше, чем произойдет накопление вирусных частиц. Это свидетельствует

—Цитохром с —»- Оксидаза-О.

I

н2о2

21

о важной роли окислительных ферментов в проявлении защитных реакций до интенсивного размножения вируса. Увеличение активности пероксидазы связано с утилизацией перекиси водорода, образующейся в процессе усиленного дыхания зараженных тканей [Vegetti et al., 1975]. При нормальном дыхании здоровых тканей происходит непрерывное запасание энергии в макроэргических соединениях, а в тканях, зараженных вирусами, имеет место частичное или полное разобщение дыхания и фосфорилирования, которое и приводит к истощению энергетических запасов. Мерретт и Сандерленд установили, что общее усиление дыхания при вирусном поражении растений табака сорта Ксанти нк затрагивало гликолитический и пентозофосфатный пути [Merrett, Sunderland, 1967].

Таким образом, как при нормальном течении метаболизма, так и при его нарушениях пероксидаза играет важную роль в осуществлении процессов, связанных с дыханием растительного организма.

2.3. МНОЖЕСТВЕННОСТЬ МОЛЕКУЛЯРНЫХ ФОРМ

Возникновение учения об изоферментах связано с пероксидазой. Впервые Теорелл [Theorell, 1942] разделил пероксидазу хрена на два компонента, отличающиеся по способности окислять флороглюцин. Позже была показана неоднородность и других ферментных белков. В 1965 г. Уилкинсон отнес пероксидазу к числу ферментов, для которых доказано присутствие множественных молекулярных форм [Уилкинсон, 1968]. Диксон и Уэбб [1966] считают открытие множественности ферментов одним из наиболее интересных событий в биохимии. Первая попытка обобщить данные о множественных формах ряда ферментов, их распределении в тканях н изменении в онтогенезе, была предпринята Маркертом и Мёллером [Markert, Moller, 1959]. Они же впервые предложили называть изоэнзимами разные молекулярные формы одного фермента, катализирующие одну и ту же реакцию, но разделяющиеся физико-химическими и иммунохимическими методами. В 1964 г. этот термин был официально утвержден Международным союзом биохимиков.

Международная подкомиссия по изоферментам рекомендует различать «множественные формы ферментов» как широкий термин, применяемый к белкам, обладающим одной и той же ферментативной активностью и встречающимся у одного и того же вида, и изозим (изофермент), применяемый лишь к множественным молекулярным формам ферментов с генетически детерминированными различиями в первичной структуре. Стаман и Деморест [Stahmann, Demorest, 1963] считают, что множественными формами представлены ферменты, осуществляющие контроль за общими стадиями синтеза и распада органических соединений.

По данным разных авторов [Серов, 1968; Markert, Whitt, 1968; Harris, 1969; Markert, 1975], в основе множественности молекулярных форм ферментов (ММФФ) лежат следующие молекулярные механизмы как генетического, так и эпигенетического характера: 1) многие ферменты состоят из нескольких полипептидов, кодируемых отдельными аллель-ными или неаллельными генами, такие полипептиды могут соединяться

22

в гомо- и гетерополимеры; 2) отдельные ферменты могут существовать в виде серии полимеров разного размера, например моно-, ди-, тетра-меров и т. д.; 3) полипептидные цепи иногда вторично подвергаются химическим модификациям без существенного изменения основной ферментативной функции; 4) в некоторых случаях молекулы фермента, не теряя основной своей функции, существуют в разных конформаци-онных состояниях за счет пермутации полимерных субъединиц или альтернативной третичной и четвертичной структуры белков.

Открытие изоферментов предоставило широкую возможность для постановки и разрешения некоторых кардинальных проблем энзимологии, генетики, эволюционного учения и систематики. К настоящему времени стало ясно, что множественность молекулярных форм ферментов, и не только ферментов, является общим правилом. Наличие многообразия таких форм расширяет биохимические возможности белков. Как пишет П. С. Редькин [1974], каждый изофермент можно условно определить как элементарную информативную единицу метаболической и генетической регуляции. По мере усложнения жизни происходило развитие изоферментных систем, сопровождающее дифференциацию и интеграцию структурных уровней организации, что обеспечило увеличение независимости организма от внешних факторов.

А. М. Голдовский [1972] считает, что главной причиной множественности является сам механизм химических реакций. Каждый фермент или сочетание ферментов, подобно всякому катализатору, делают возможным прохождение соответствующего химического процесса с необходимой скоростью, но не устраняют в этом процессе других, побочных направлений. Это создает большую пластичность приспособления биохимической деятельности организма к непрерывно изменяющимся условиям среды. Ферменты, представленные в виде одной полипептидной цепи, такие, как пероксидаза, обладают наибольшей степенью молекулярной гетерогенности. Их изоэнзимный набор состоит из кислых, нейтральных и щелочных форм. Очевидно, у таких ферментов большую роль играют модификации за счет присоединения различных кофакторов и определенной полимеризации с другими соединениями, например с сахарами и фенолами. Исследования, проведенные с использованием пероксидазы хрена, показали, что разнообразие изоформ этого фермента может быть результатом гликолизирования определенных аминокислотных остатков [Morita at al., 1971; Войлоков, Нарбут, 1974; Войлоков, 1978]. Таким образом, создается многообразие, которое в пероксидазе хрена представлено 42 молекулярными формами, или изоэнзимами [Hoylee, 1977].

Регуляция активности ферментов чаще всего осуществляется торможением реакции ее конечными продуктами, репрессией по типу обратной связи, или «ретроингибированием». Если бы в клетке присутствовал только один тип молекул фермента, то ретроингибирование продуктом реакции могло бы остановить реакцию. Однако в случае пероксидазы давно замечено, что если один изоэнзим репрессируется продуктами своей деятельности, то другой, наоборот, этими же продуктами может активизироваться. Индивидуальные изопероксидазы различаются по своей способности катализировать реакции окисления различных субстратов [Gibson, Liu, 1978].

23

Методом микроэлектрофореза и электрофокусирования было показано существование изоэнзимов пероксидазы, проявляющих различную а