6.3.3.4. Глутатион и его производные

Глутатион — один из главных небелковых тиоловых продуктов ассимиля­торного восстановления сульфата в растительной клетке. Его содержание дос­тигает миллимолярных значений, что значительно превышает микромолярные концентрации цистеина. Г—SH — трипептид, состоящий из остатков глутаминовой кислоты, цистеина и глицина (γ-глутамилцистеинилглицин). В от­личие от животных у растений химические формы глутатиона разнообразнее: у некоторых бобовых это гомоглутатион (γ-глутамилцистеинил-β-аланин), а у злаковых — γ-глутамилцистеинилсерин и γ-глутамилцистеинилглутамат.

Биосинтез глутатиона. Г— SH синтезируется в двух последовательных АТФ-зависимых реакциях, катализируемых γ-глутамилцистеинсинтетазой (1) и глутатионсинтетазой (2)

(рис. 6.52).

Рис. 6.52. Схема биосинтеза глутатиона.

Г—SH синтезируется в двух последовательных АТФ-зависимых реакциях, катализируемых

γ-глутамилцистеинсинтетазой (1) и глутатионсинтетазой (2)

Эти ферменты обнаружены в цитозоле и хлоропластах и обладают пример­но одинаковой активностью. Регуляция биосинтеза осуществляется на первой стадии. С одной стороны, скорость реакции 1 зависит от доступности цистеина, с другой — γ-глутамилцистеинсинтетаза ингибируется Г—SH по принципу об­ратной связи.

Функции глутатиона. Глутатионовый пул восстановленной серы в количе­ственном отношении самый большой, а в функциональном — разноплановый.

Г—SH — запасная и транспортная форма серы у растений. Например, Г— SH транспортируется из щитков кукурузы в развивающиеся корни и побеги, из зрелых листьев в молодые листья и корни у растений Ricinus, при созрева­нии плодов грейпфрута идет перераспределение глутатиона из листьев в пло­ды и т.д. Происходит обмен Г—SH между ксилемой и флоэмой.

Система 2Г—SH/Г—SS—Г работает на поддержание окислительно-восста­новительного потенциала в клетке за счет взаимопревращений дитиол ↔ дисульфид. В норме глутатионовый пул на 95 % представлен восстановленной формой. Баланс ферментативно сдвинут в сторону Г—SH за счет активности глутатионредуктазы (ЕС 1.6.4.2), донором е служит НАДФН (рис. 6.53).

Рис. 6.53. Редокс-контроль, или поддержание окислительно-восстановительного потенциала, в клетке за счет взаимопревращений дитиол/дисульфида

Пул восстановленного глутатиона поддерживает в активном состоянии многие белки-ферменты в разных клеточных компартментах: цитозоле, строме хлоропластов, матриксе митохондрий. Когда баланс сдвигается в сторону окисленного глутатиона, ферменты переходят в неактивное состояние в результате образо­вания дисульфидных связей по цистеиновым остаткам.

Защитная функция Г—SH и некоторых глутатионзависимых ферментов (глутатионтрансферазы (ГТазы), формальдегиддегидрогеназы, глиоксилазы, глутатионпероксидазы, глутатионэстеразы, глутатионизомеразы и др.) проявля­ется в детоксикации электрофильных низкомолекулярных соединений эндо­генного происхождения и ксенобиотиков, в первую очередь гербицидов. Глу-татионтрансферазы катализируют конъюгацию электрофильных и часто гид­рофобных токсических соединений с глутатионом, образуя нетоксичные про­изводные пептида, которые изолируются в вакуоли:

R-X + Г-SH → Г-S-R + НХ

При стрессовых ситуациях увеличиваются биосинтез и содержание восста­новленного глутатиона. И злаки, и широколиственные древесные растения с высоким содержанием и активностью ГТаз более устойчивы к действию гер­бицидов.

О производных Г—SH в вакуоли на основе субстратов эндогенного проис­хождения известно мало. Ими могут быть антоциановые пигменты, флавоноиды, растительные гормоны.

Фитохелатины. Г—SH является предшественником фитохелатинов (ФХ) — защитников растений от высоких концентраций тяжелых металлов: Cd, Zn, Pb и др. Фитохелатины — семейство низкомолекулярных пептидных лигандов (γ-Глу-Цис)_n-Гли (п = 2 — 5), которые образуют комплексы с ионами тяжелых металлов и в таком виде транспортируются в вакуоль.

Например, чувствительность к кадмию проявляется в неспособности на­капливать фитохелатины. У неустойчивых к кадмию мутантов арабидопсиса cad2 с мутацией по гену

γ-глутамилцистеинсинтетазы концентрация Г—SH снижена на 70 — 85 %, хотя растения при нестрессовых условиях выглядят нор­мальными. При экспозиции на Cd²⁺ мутанты cad2 могут синтезировать фитохе­латины в количестве только 10 % по сравнению с диким типом в тех же уеловиях и в итоге погибают. Другой чувствительный к кадмию мутант арабидопсис — cadi — не способен к синтезу фитохелатинов (не обнаруживается ак­тивность ФХ-синтазы), но синтез глутатиона у него не нарушен. Таким обра­зом, устойчивость к высоким концентрациям тяжелых металлов обусловлена именно ФХ. Фитохелатирование служит механизмом удаления тяжелых метал­лов в вакуоль или биоминерализацией.