Антиоксидантные ферменты бактерий

АНТИОКСИДАНТНЫЕ ФЕРМЕНТЫ МИКРООРГАНИЗМОВ

Гемсодержащие антиоксидантные ферменты (АОФ)

Предисловие

В ходе эволюции в организме человека возникла защитная антиоксидантная система, которая базируется на комплексе ферментов: оксидазы, супероксиддисмутазы, каталазы, а также витаминов А, С, Е и некоторых коферментов. Окислительный стресс вредит здоровью человека. Различные заболевания, такие как ВЗК и ССЗ [13], во многом связаны с наличием свободных радикалов - активных форм кислорода (АФК). Как способ уменьшения возникновения заболеваний было предложено улучшение антиоксидантного статуса в крови. Исследования показали, что изменения диеты способны увеличить антиоксидантную способность крови. Однако для этого антиоксиданты, присутствующие в пище, сначала должны абсорбироваться в ЖКТ, а затем метаболизироваться организмом человека, что в совокупности представляет собой биодоступность антиоксиданта, которая связана со способностью всасывания в тонком кишечнике после пищеварения. И вот в этом механизме важную роль могут сыграть пробиотические микроорганизмы, которые продуцируют различные экзо- и эндометаболиты с установленной антиоксидантной активностью и способны регулировать процессы кишечного всасывания микро- и макронутриентов.

Подробнее об антиоксидантных свойствах бифидо- и пропионовокислых бактрий см. перейдя по кнопке-ссылке:

Информация представленная ниже посвящена антиоксидантным ферментам (АОФ), значительный синтез которых обнаружен у ПКБ. Однако и другие бактерии способны продуцировать некоторые АОФ, например супероксиддисмутазу (СОД), хотя и не так выраженно, как ПКБ. Тем не менее, наиболее известные пробиотики, лакто- и бифидобактерии, являются (как правило) каталаза-отрицательными бактериями, т.е. в отличие от ПКБ не синтезируют антиоксидантный фермент каталазу (CAT). Тем не менее, лакто- и бифидобактерии, как и ПКБ, являются перспективными источниками безопасных пищевых биоантиоксидантов, т.к. синтезируют другие различные антиоксидантные молекулы, делающие указанные микроорганизмы потенциальными терапевтическими агентами для благотворного воздействия на здоровье хозяина путем защиты от оксидативного стресса. Подробнее об этом см. по выше указанной кнопке-ссылке.

СУПЕРАНТИОКСИДАНТЫ

Многие заболевания, начиная от нейродегенеративных и заканчивая некоторыми типами рака, связаны с окислительным стрессом, когда процесс синтеза активных форм кислорода выходит из-под контроля. Введение антиоксидантов может способствовать уменьшению токсичного воздействия радикалов.

Антиоксидантная ферментная система

Как и у животных, пробиотики также имеют свои собственные антиоксидантные ферментативные системы. Одним из наиболее известных из этих ферментов является супероксиддисмутаза (СОД или SOD). Супероксид является одним из наиболее распространенных АФК, вырабатываемых митохондриями, в то время как СОД катализирует расщепление супероксида на перекись водорода и воду и, следовательно, является центральным регулятором уровня АФК. Все СОД являются металлопротеинами: бактерии могут использовать Fe-SOD (как ПКБ) и Mn-SOD, но млекопитающие используют как цитоплазматические, так и внеклеточные формы Cu, Zn SOD и митохондриальные Mn-SOD, которые в эволюционном отношении тесно связаны с бактериальными Mn-SOD. В исследовании Kullisaar с коллегами Lactobacillus fermentum E-3 и E-18 смогли экспрессировать Mn-SOD, чтобы противостоять окислительному стрессу [Kullisaar T., et al. Two antioxidative lactobacilli strains as promising probiotics. Int. J. Food Microbial. 2002, 72, 215–224]. Хотя антиоксидантная активность СОД хорошо известна, терапевтическое применение СОД ограничено, главным образом из-за его короткого периода полувыведения из кровообращения, что ограничивает его биодоступность. Для решения этой проблемы были предприняты попытки найти подходящие транспортные средства для СОД. Пробиотические бактерии, способные к локальной доставке СОД, открывают новый подход к заболеваниям, характеризующимся продуцированием АФК.

Каталаза (CAT) - это АОФ, который участвует в клеточной антиоксидантной защите, разлагая перекись водорода, тем самым предотвращая образование гидроксильных радикалов по реакции Фентона [см.: Ho, Y.S., et al. Mice lacking catalase develop normally but show differential sensitivity to oxidant tissue injury. J. Biol. Chem. 2004, 279, 32804–32812].

Лактобациллы, как и бифидобактерии обычно являются CAT-отрицательными [см.: Spyropoulos, B.G., et. al. Antioxidant properties of probiotics and their protective effects in the pathogenesis of radiation-induced enteritis and colitis. Dig. Dis. Sci. 2011, 56, 285–294].

Итак, ранее мы уже отмечали, что в отличие от других пробиотических микроорганизмов у пропионовокислых бактерий установлен значительный (!) синтез гемсодержащих (см. гем) антиоксидантных ферментов каталазы, пероксидазы и супероксиддисмутазы (СОД). Стоит сказать, что в отличие от низкомолекулярных антиоксидантов, которые могут связать ограниченное число (как правило, одну) молекул радикалов, антиоксидантные ферменты могут нейтрализовать активные формы кислорода одну за другой, а потому являются своеобразными суперантиоксидантами.

---

кратко о защите ДНК от свободных радикалов

 

Некоторые микроорганизмы симбионтной микрофлоры, участвущие в биосинтезе антиоксидантных ферментов, нейтрализуют свободные радикалы и тем самым помогают нам устранить причины разрушения ДНК, провоцирующие мутагенез  и замедлить процессы старения.

Бактерии как источники антимутагенов представляют несомненный интерес как профилактические пищевые добавки для активации естественных систем репарации и для создания медицинских препаратов нового типа с антимутагенными свойствами. Устранение свободных радикалов в клетке, способных вызывать повреждения ДНК, также тесно связано с системой репарации.

Репарация (от лат. reparatio — восстановление) — особая функция клеток, заключающаяся в способности исправлять химические повреждения и разрывы в молекулах ДНК, повреждённой при нормальном биосинтезе ДНК в клетке или в результате воздействия физических или химических агентов. Осуществляется специальными ферментными системами клетки.

Поскольку свободные радикалы реагируют фактически с любыми биомолекулами, действие их направлено и на молекулу ДНК. Например, перекись водорода Н₂О₂ — потенциальный бактерицидный агент, может реагировать с Fe²⁺ и образовать гидрок­сильный радикал ОН^*, который окисляет и по­вреждает молекулу ДНК. В любой живой клетке существуют механизмы, способные пол­ностью или частично восстанавливать исходную структуру поврежденной ДНК. Совокупность ферментов, катализирующих реакции коррекции повреждений ДНК, объединяются в так называ­емые системы репарации. С их помощью дефект­ные участки цепи ДНК вырезаются и заменяются новыми нуклеотидами.

Таким образом, система ДНК-репарации на­правлена не на нейтрализацию свободных ради­калов, а на устранение их эффектов на молекуле ДНК. Разумеется, действие антиоксидант­ных ферментов, связывающих свободные ради­калы, препятствует поврежде­нию молекулы ДНК.

ФЕРМЕНТЫ: КАТАЛАЗА, ПЕРОКСИДАЗЫ и СУПЕРОКСИДДИСМУТАЗА (СОД)

Каждая клетка человеческого организма обладает собственной антиоксидантной защитой. Основным фактором, ограничивающим разрушающее влияние свободных радикалов в организме, являются 2 антиоксидантные системы: ферментативная (антиоксиданты: супероксиддисмутаза, каталаза, глутатионпероксидаза) и неферментативная (антиоксиданты: аскорбат, токоферол, глутатион и др.).

Синтезируемые пропионовокислыми бактериями антиоксидантные (прокариотические) ферменты, супероксиддисмутаза (СОД) и каталаза, также как и одноименные (эукариотиические) антиокислительные ферменты человеческого организма, образуют антиоксидантную пару, которая борется со свободными радикалами кислорода, не давая им возможности запустить процессы цепного окисления.

Пропионовокислые бактерии синтезируют значительные (!) количества каталазы (Sherman, 1921; Воробьева и др., 1968; Simon, 1968), что выделяет их из числа других анаэробных микроорганизмов. При дефиците ионов железа в среде каталаза не синтезируется (Кузнецова и др.. 1983) и в культуральной жидкости накапливается H₂O₂. У обеспеченных железом культур H₂O₂ не обнаруживалась. Основная активность каталазы, как и супероксиддисмутазы обнаруживалась в цитоплазме клеток ПКБ (P. shermanii и др. штаммов). Большей активности СОД (и каталазы) соответствует большая супероксидпродуцирующая способность штаммов, что свидетельствует о важной роли этих ферментов в избавлении клеток от супероксидных радикалов. Одновременное присутствие СОД и каталазы внутри бактериального матрикса позволяет клетке удалять супероксидные и пероксидные радикалы, образованные в окислительных реакциях.

РОЛЬ СУПЕРОКСИДДИСМУТАЗЫ (СОД) В ОРГАНИЗМЕ ЧЕЛОВЕКА

Супероксиддисмутаза или СОД является одним из четырех природных ферментных антиоксидантов, которые вырабатываются естественно в организме человека, и действие которых направлено на то, чтобы уменьшить ущерб, наносимый свободными радикалами. В дополнение к супероксиддисмутазe (СОД) к группе ферментных антиоксидантов относятся каталазa (KAT), пероксидазы (в частности, глутатионпероксидаза (ГП)) и глутатионредуктаза (ГР). Эта группа антиоксидантов отличается от других антиоксидантов, которые классифицируются как неферментные.

Супероксиддисмутаза (superoxide dismutase, SOD) [лат. super — сверху, над, oxi(genium) — кислород, dis- — приставка, обозначающая разделение, отделение, отрицание, и mutatio — изменение] — фермент класса оксидоредуктаз, катализирующий дисмутацию радикалов O₂^- и препятствующий превращению супероксидного анион-радикала в гидроксильный радикал ОН^*, обладающий высокой токсичностью; служит акцептором свободных кислородных радикалов, тормозящим перекисное окисление липидов и белков.

ИСТОЧНИКИ СВОБОДНЫХ РАДИКАЛОВ

Пагубное действие на организм многих радиационных излучений и многих химических мутагенов связано с возникновением свободных радикалов. (Дубинин, 1976; Petkau, 1987; Порошенко, Абилев, 1988). Потенциальными биологическими мишенями для радикальной атаки служат липиды, белки, нуклеиновые кислоты. Свободные радикалы часто вовлекаются в активацию многих типов прокарциногенов и промутагенов, превращая их  в карциногены и мутагены и связывая эти активированные формы с ДНК (Pryor, 1986). Пероксидный радикал может вызывать повреждения ДНК, а система, продуцирующая супероксидные радикалы, провоцирует возникновение гидроксильных радикалов (и опасный синглетный кислород), образующих радикальные сайты на ДНК. Лучевая болезнь, многие формы рака и ряд других тяжелых заболеваний связаны прямо или косвенно с образованием радикалов. Свободные радикалы содержатся в сигаретном дыме (Pryor, 1985), являющимся опухолеродным агентом.

И в слюне и в человеческой сыворотке содержится супероксиддисмутаза (СОД), пероксидаза и каталаза – антиокислители (ферменты), снижающие уровень H₂O₂ (перекиси водорода) и O₂ и представляющие собой одну из форм естественной защиты организма от действия мутагенных факторов (Nishioka, Nunoshiba, 1986). Клинические исследования показали, что СОД оказывает высокий положительный эффект при лечении сердечных приступов, связанных с повреждением сердечной мышцы (Fass, 1988). СОД имеет перспективы применения не только в медицине, но и в пищевой промышленности, где в сочетании с каталазой и пероксидазой может использоваться для предотвращения окисления липидов и других ценных компонентов пищи (Taylor, Richardson, 1974).

Все СОД, независимо от источника их выделения — мультимерные металлопротеины, чрезвычайно эффективные в устранении супероксидных анионов (O₂^-). В механизме их действия предусмотрено попеременное чередование процессов окисления — восстановления соответствующих металлов, находящихся в активном центре ферментов. Выделяют 3 типа супероксиддисмутаз:

• Zn/Cu-SOD — димер, в основном обнаруживается в цитозоле и хлоропластах эукариот, во внеклеточной жидкости у млекопитающих — тетрамер;
• Mn-SOD — димер, в митохондриях и у некоторых термофильных бактерий — тетрамер;
• Fe-SOD — димер, в основном обнаруживается у прокариот, в частности, у пропионовокислых бактерий (ПКБ), но встречается и у водорослей.

Примечание: Т.е. в человеческом организме СОД синтезируется в эукариотических клетках из гистидина и металлов - цинка, меди и марганца. Из пищевых источников получить СОД очень сложно (при замораживании, переработке, нагревании или высушивании изоферменты могут полностью или частично дезактивироваться, т.е. происходит самоокисление продуктов). На данный момент СОД все же коммерчески получают из морского фитопланктона, печени крупного рогатого скота, хрена, дыни и некоторых бактерий. В терапевтических целях СОД обычно вводят местно. Считается, что прием СОД-незащищенной или СОД-богатой пищи может не иметь физиологических эффектов, так как все проглоченные СОД-продукты расщепляются на аминокислоты до их поглощения. Однако прием внутрь СОД, связанных с белками, в частности с микробными клетками, может улучшить их терапевтическую активность. И в этой связи примечательно, что клетки молочных пропионибактерий P. freudenreichii, благодаря своей высокой ферментативной активности, в которых Fe-SOD является эндометаболитом, могут стать подходящими «внешними» источниками СОД. К сожалению, важная роль СОД в диетическом питании еще недостаточно осознается, и СОД пока не используется в широких коммерческих масштабах в качестве антиоксидантной добавки к пище. Тем не менее, за рубежом ведется активный поиск новых источников СОД, которые можно было бы использовать в качестве именно пищевой БАД. 

Таблица 1. Классификация и распределение СОД.

Классификация	Цвет	Молекулярная масса	Молекулярная конформация	Число субъединиц	Распределение
Cu / Zn-SOD	Сине-зеленый цвет	32000	β-кратность	2	Эукариотическая клетка
Mn-SOD	Розовый	80000	α-спираль	4	Эукариотическая и прокариотическая клетки
Fe-SOD	Желтый	40000	α-спираль	2	Прокариотическая клетка

СОД (SOD) можно разделить на 2 группы по структуре: Cu/Zn-SOD первая группа, и Mn-SOD и Fe-SOD вторая группа. Естественно возникающие SOD имеют различные ионы активного центра, но каталитически активные места имеют высокую степень структурной идентичности и эволюционной консервации, т.е. ионы активного центра представляют собой тетрагональную пирамиду или тетраэдр, состоящий из 3 или 4 молекул гистидина (His), имидазолила и 1 H₂O.

Многие бактерии содержат форму фермента с железом (Fe-SOD); некоторые бактерии содержат Fe-SOD, другие Mn-SOD, а некоторые (такие как E. coli) содержат оба. Fe-SOD можно также найти в хлоропластах растений. Трехмерные структуры гомологичных Mn и Fe супероксиддисмутаз имеют одинаковое расположение альфа-спиралей, а их активные участки содержат один и тот же тип и расположение аминокислотных боковых цепей. Обычно это димеры, но иногда и тетрамеры. Таким образом, структура Fe-SOD относительно проста и похожа на Mn-SOD; и Fe-SOD и Mn-SOD относятся ко второй группе SOD - SOD2. Являясь членом семейства т.н. супероксиддисмутазы железа / марганца, этот белок превращает токсичный супероксид, побочный продукт митохондриальной цепи переноса электронов, в перекись водорода и двухатомный кислород. Эта функция позволяет SOD2 очищать митохондриальные активные формы кислорода (АФК) и, в результате, обеспечивать защиту от гибели клеток. В результате этот белок играет антиапоптотическую роль против окислительного стресса, ионизирующего излучения и воспалительных цитокинов. Также было показано, что митохондриальный окислительный стресс, вызванный дефицитом SOD2, способствует развитию клеточного старения и фенотипов старения в коже.

Интересное дополнение по поводу бактериальных СОД

(по результатам работы A.P. Sehn and B. Meier. ).

Анаэробные, но аэротолерантнные бактерии Propionibacterium freudenreichii sp. shermanii содержат одну супероксиддисмутазу, проявляющую сравнимую активность с железом или марганцем в качестве кофактора металла. Образование супероксиддисмутазы не зависит от добавки железа или марганца в питательную среду. Даже в отсутствие этих металлов белок строится в сопоставимых количествах. Бактерии, выращенные в отсутствие железа и марганца, синтезируют супероксиддисмутазу с очень низкой активностью, в состав которой входит медь. Если среда также не содержала меди, в нее включали кобальт, что приводило к ферментативно неактивной форме. В отсутствие кобальта была создана ферментативно неактивная супероксиддисмутаза с неизвестным содержанием металлов. После аэрации количество супероксиддисмутазной активности непрерывно увеличивалось до 9 ч благодаря синтезу белка de novo. Эта супероксиддисмутаза включила железо в активный центр. Супероксиддисмутаза Propionibacterium shermanii способна образовывать гораздо более широкий спектр комплексов с ионами микроэлементов in vivo, чем это было признано ранее, что позволяет предположить, что первоначальной функцией этих белков было связывание цитоплазматических микроэлементов, присутствующих в избытке.

Супероксиддисмутазы представляют собой металлопротеины, принадлежащие к семейству антиоксидантных ферментов, которые обеспечивают клетку основной защитой от окислительного повреждения. Бактерии обычно имеют один или два СОД с железом или марганцем в качестве кофактора активного металла. Fe- и Mn-SOD демонстрируют высокое структурное сходство, но активность может быть восстановлена ​​только с присутствием металла в нативном ферменте. Известны 4 группы бактерий, которые проявляют активность с железом или марганцем: Propionibacterium shermanii, Bacteroides fragilis, Bacteroides thetaiotaomicron, Bacteroides gingivalis, Streptococcus mutans и Methylomonas J. СОД, активные с железом или марганцем, были названы Cambialistic SOD (камбиалистические СОД).

Также бактерии, которые выработали СОД, проявляющие активность только с железом или марганцем, могут инкорпорировать другой металл in vivo, если нативный металл недоступен. Это было тщательно изучено в Escherichia coli, имеющей конститутивный Fe-SOD и индуцибельный Mn-SOD. Несмотря на высокое структурное сходство и сравнимые каталитические константы, гены Mn- и Fe-SOD по-разному реагируют на сигналы окружающей среды. Транскрипция Mn-SOD регулируется не только кислородом или окислительно-восстановительными препаратами, но и железом сложным образом. Напротив, активность Fe-SOD не отвечает ни на один из этих факторов. Поэтому Fe-SOD обычно считается конститутивным, а Mn-SOD индуцибельным, особенно в отношении окислительного стресса.

Со времени открытия СОД у анаэробных бактерий в сопоставимых количествах с аэробными организмами (у анаэробных Methanobacterium bryantii СОД достигает до 0,4%], а у P. shermanii до более чем 1% цитоплазматических белков) возникли сомнения по поводу ферментативной функции СОД и возникли вопросы о другой «активности». Наблюдение, что СОД P. shermanii включает множество металлов in vivo, предполагает гипотезу, что этот белок первоначально функционировал, чтобы сформировать комплексы с избытком следовых металлов, которые были токсичны для организмов. Это все еще может быть причиной, по которой СОД синтезируется анаэробными бактериями. С увеличением концентрации кислорода в окружающей среде дисмутация супероксидных радикалов, вероятно, стала основной функцией в аэробных организмах.

Признаки дефицита СОД в организме:

• ускоренное старение;
• морщины;
• пигментные пятна;
• ослабление иммунитета;
• респираторные инфекции;
• аутоиммунные заболевания.

См. дополнительно:

Роль супероксиддисмутазы при акне и терапевтический потенциал пропионовокислых бактерий

Существенная роль отводится супероксидным радикалам в развитии воспалительных и других хронических заболеваний. Результатом исследования этих процессов явилось использование СОД в качестве противовоспалительного средства (орготеин, пероксинорм), а также применение в составе др. антиоксидантных препаратов (см. рис.):

Свободные радикалы образуются вследствиe дыхательной деятельности и использования полученного клетками кислорода для выработки энергии. Во время этого процесса образуется больше свободных радикалов, чем необходимо энергии тканям организма. Основные радикалы, которые участвуют в окислении, это супероксидный радикал O₂^-  и гидроксильный радикал OH^*.

Эти дополнительные свободные радикалы наносят ущерб окружающей ткани и на протяжении многих лет вызывают её постепенные физиологические изменения, в результате которых появляются видимые признаки старения. Для оказания помощи в нейтрализации активных форм кислорода в клетках, человеческий организм разработал ферментативную антиоксидантную систему, состоящую из четырех ферментов, перечисленных выше.

Прим.: Исследования, проведенные на дрозофилах (плодовые мушки), показали, что повышение уровня супероксиддисмутазы СОД может замедлить процесс старения. Когда генетические характеристики плодовых мух были изменены и уровни СОД повышены, средняя продолжительность жизни мух увеличилась до 40%.

Итак, СОД является эндогенным акцептором свободных кислородных радикалов, избыточное накопление которых в клетке имеет значение в развитии целого ряда кислород зависимых патологических процессов (гипоксия, воспаление, интоксикация и др.) СОД удаляет супероксидные радикалы и предотвращает образование других, более опасных для организма свободных радикалов: гидроксильного радикала и синглетного кислорода. Кроме того, СОД предотвращает накопление в очаге воспаления нейтрофилов, которые секретируют значительные количества лизосомальных ферментов, разрушающих близлежащие ткани. Очевидно, что лекарственные препараты на основе СОД являются наиболее перспективными среди противовоспалительных препаратов.

Кроме общебиологического значения данного фермента, связанного с основополагающей ролью эндогенного антиоксиданта, пристальное внимание к данному белку привлечено в связи с его высокой лекарственной эффективностью. СОД воздействует на ключевые этапы заболеваний различной природы (вирусные и бактериальные инфекции, аутоиммунные заболевания, болезни ЦНС, радиационные поражения и др.), что определяет перспективность применения препаратов на основе СОД в ревматологии, кардиологии, офтальмологии, гастроэнтерологии и т.д.

РАБОТА ФЕРМЕНТНОЙ ЗАЩИТЫ

Итак, передовой линией защиты от токсического действия производных O₂ являются ферменты: супероксиддисмутаза, захватывающая молекулы O₂^–, каталаза и пероксидаза, улавливающие H₂O_2. Они сводят до минимума концентрацию в клетке O₂^– и H₂O₂ и не дают им возможности взаимодействовать с образованием гидроксильного радикала ОН*_, превосходящего супероксидный радикал O₂^– по окислительной активности и токсичности.

1. Супероксиддисмутаза (СОД) является одним из главных ферментов антиоксидантной системы. Супероксиддисмутаза катализирует превращение супероксидного радикала O₂^-, который образуется первым из активных форм кислорода при утечке электронов из дыхательной цепи, в менее токсичную перекись водорода (H₂O₂) и кислород (O₂):

2О₂^- + 2Н⁺ → Н₂О₂ + О₂

Скорость этой реакции в 10 000 раз выше, чем химического дисмутирования. Дисмутирование супероксида О₂^- в перекись водорода Н₂О₂ с помощью СОД часто называют первичной защитой, т.к. этот фермент предотвращает дальнейшее образование свободных радикалов.

Перекись водорода (H₂O₂) - наиболее стабильный из промежуточных продуктов восстановления О₂ и наименее реакционноспособный. Однако, из перекиси водорода может образовываться весьма сильный окислитель. Супероксид-анион O₂^- может взаимодействовать с Н₂О₂ с образованием гидроксидного радикала ОН^_*, превосходящего O₂^- по окислительной активности и токсичности:

O₂^- + Н₂О₂ + Н⁺ переходит в О₂ + Н₂О + ОН^_*

Источником возникновения ОН^_* могут служить также реакции одноэлектронного окисления перекиси водорода, катализируемые железосодержащими соединениями, всегда имеющимися в клетках:

Н₂О₂ + Fe²⁺ переходит в Fe³⁺ + OH^- + ОН^_*

Иными словами, избыточное накопление перекиси водорода Н₂О₂ очень токсично, особенно для нефагоцитирующих клеток. Накопление пероксидов и генерация свободных радикалов может приводить к повреждению мембран (рак, атеросклероз).

Поэтому, каталаза и пероксидаза сводят до минимума концентрацию в клетке супероксидного радикала O₂^- и перекиси водорода H₂O₂ и не дают им возможности взаимодействовать с образованием гидроксильного радикала ОН^_*.

Перекись водорода разрушается двумя классами родственных ферментов, катализирующих ее двухэлектронное восстановление до H₂O и использующих в качестве донора электронов H₂O₂ в случае каталазы или различные органические соединения в случае пероксидазы.

Т.е. для предотвращения повреждающего действия пероксидов служат две ферментативные системы:

2. Пероксидазы (peroxidases, лат. per — сверх и греч. oxys — кислый) - группа окислительно-восстановительных ферментов класса оксидоредуктаз, использующих в качестве акцептора электронов перекись водорода (Н₂О₂).

Простетической группой пероксидаз (т.е. небелковым и не производным от аминокислот компонентом, ковалентно связанным с белком) является протогем, т.е. пероксидазы — сложные белки-гемопротеиды, активным центром которых является железо гема. Ферменты этого типа широко представлены у растений, а также встречаются в молоке, лейкоцитах, тромбоцитах и тканях, продуцирующих эйкозаноиды.

Пероксидазы найдены в тканях человека и животных, в бактериях и растениях. Субстратами пероксидаз служат полифенолы, ароматические амины, аскорбиновая кислота и т. д., а донаторами кислорода, наряду с Н₂O₂, могут быть органические перекиси.

H₂O₂ + RH₂ → 2H₂O + R, где RH₂ – аскорбиновая кислота, хиноны, цитохром С, глутатион. В эритроцитах и некоторых других тканях присутствует глутатионпероксидаза, содержащая Se в качестве простетической группы. Этот фермент защищает мембраны и гемоглобин от окисления пероксидами.

3. Фермент – каталаза (от греч. καταλύω — разрушать, ломать) - это фермент, являющийся гемопротеином (4 гема) и катализатором в реакции разложения перекиси водорода, при которой образуются вода и молекулярный кислород:

Н₂О₂ + Н₂О₂ = О₂ + 2Н₂О.

Эта реакция напоминает пероксидазную, только вместо RH₂ используется Н₂О₂. Каталазу находят в крови, костном мозге, слизистых оболочках, печени, почках, т.е. в клетках, где происходит интенсивное окисление с образованием Н₂О₂.

Поскольку перекись водорода H₂O₂, также является радикалом и оказывает повреждающее действие, в клетке происходит ее постоянная инактивация ферментом каталазой. Каталаза катализирует расщепление перекиси водорода H₂O₂ до молекул воды и кислорода и может разложить 44 000 молекул H₂O₂ в секунду.

Биологическое значение Каталазы заключается именно в разложении перекиси водорода, которая образуется в клетках при воздействии ряда флавопротеиновых оксидаз, чем обеспечивается действенная защита клеточных структур от разрушения, которое осуществляет перекись водорода. Если вследствие генетических причин возникает дефицит Каталазы развивается акаталазия. Это наследственная болезнь, клиническими проявлениями которой являются изъязвления слизистой носа и полости рта, а в некоторых случаях явно выраженные выпадение зубов и атрофические изменения альвеолярных перегородок.

См. рис.: Реакции, катализируемые антиоксидантными ферментами.

Таким образом, ферменты каталаза и пероксидаза в сочетании с СОД создают клеткам антиокислительную защиту 

Кратко: Каталаза и СОД защищают микроорганизмы от экзогенных и эндогенных окислительных стрессов, нейтрали­зуя свободные кислородные радикалы. Токсичный субстрат — супероксидный ион (О₂^*), образующий­ся в клетках в результате метаболических про­цессов, с помощью фермента СОД превращается в перекись водорода (Н₂О₂). Перекись водорода, в свою очередь, расщепляется каталазой на моле­кулярный кислород и воду. Защитное действие в этом процессе оказывают и пероксидазы, кото­рые окисляют органические вещества перекисью водорода, в результате чего образуется молекула воды. Таким образом, ферменты СОД и каталазы превращают супероксидные радикалы в безвред­ный кислород.

ИТАК:

Каталаза, пероксидазы, супероксиддисмутаза (СОД), система ДНК-репарации, а также различ­ные субстраты, участвующие в нейтрализации сво­бодных радикалов, составляют антиоксидантную ферментную систему микроорганизмов

На основании изложенного можно сделать вывод, что антиоксидантная ферментная система дружественных нам бактерий также играет огромную роль в защите клеток нашего организма от постоянных и многочисленных атак свободными радикалами кислорода. Антиоксидантные ферменты (АОФ) микроорганизмов, препятствуя запуску процессов цепного окисления, предотвращают в т.ч. и процессы разрушения ДНК свободными радикалами, которые в свою очередь провоцируют процессы мутации (мутагенез).

Дополнительная информация

ОТСУТСТВИЕ КАТАЛАЗЫ У МОЛОЧНОКИСЛЫХ БАКТЕРИЙ

Каталазная и пероксидазная активности обнаружены у всех облигатно и факультативно аэробных прокариот. Среди облигатных анаэробов эти ферменты распространены значительно в меньшей степени, чем супероксиддисмутаза. Обнаружены многие строгие и аэротолерантные анаэробы, содержащие супероксиддисмутазу, но не содержащие каталазы. К их числу можно отнести и те молочнокислые бактерии, у которых дисмутация образующихся ионов O₂^-. обеспечивается Mn²⁺, находящимся в клетках в высоких концентрациях.

Отсутствие каталазы у молочнокислых бактерий связано с тем, что они не могут синтезировать гем — простетическую группу фермента, но способны к синтезу апофермента. При добавлении гемовых групп извне молочнокислые бактерии образуют гемсодержащую каталазу. У ряда молочнокислых бактерий обнаружена каталаза, не содержащая гемовой группы, названная поэтому псевдокаталазой. Выделенный фермент состоит из шести идентичных полипептидных цепей, соединенных между собой нековалентными силами. Каждая субъединица содержит 1 атом марганца.

Прим.: Перекись водорода, возникающая в результате взаимодействия клеток с O₂, устраняется и неферментативными путями. Известно, что ионы Fe²⁺ в водном растворе ускоряют восстановление H₂O₂ до H₂O. В клетке всегда содержится некоторое количество ионов железа. Разрушение H₂O₂ может происходить и за счет выделяющихся в культуральную среду восстановленных веществ.

Для анаэробных прокариот, способных переносить контакт с O₂ и его производными в относительно небольших масштабах, необходимо присутствие в клетках супероксиддисмутазы, "убирающей" O₂^-. Наличие каталазы при этом не обязательно, поскольку возникающая в реакции дисмутации и других реакциях перекись водорода разлагается спонтанно или с участием неферментативных катализаторов, и организмы в целом справляются с ней в этих условиях. Таким образом, при осуществлении энергетического метаболизма анаэробного типа для устранения токсических эффектов O₂^- достаточно одной ферментной преграды в виде супероксиддисмутазы (СОД).

Резкое возрастание масштабов взаимодействия прокариот с O₂ при функционировании метаболизма аэробного типа делает неэффективными неферментативные пути устранения H₂O₂. Для разложения перекиси водорода, образующейся в больших количествах, необходимы ферменты, повышающие скорость разложения H₂O₂ на несколько порядков. Это обеспечивается каталазой и пероксидазой. Таким образом, в условиях активного взаимодействия клеток с O₂, делающего возможным аэробную жизнь, система ферментной защиты от его токсических эффектов сформирована с участием супероксиддисмутазы, каталазы и пероксидазы в качестве необходимых компонентов.

Что касается пропионовокислых бактерий, то эти микроорганизмы просто поразили лабильностью своего метаболизма. В результате его изучения у пропионовокислых бактерий установлены функционирующая цепь переноса электронов (ЦПЭ), кислородное, фумаратное, нитратное дыхание, система антиокислительной защиты. Эти исследования продемонстрировали, что пропионовокислые бактерии экипированы как для анаэробной, так и для аэробной жизни. Оказалось, что анаэробные представители семейства образуют значительные количества супероксиддисмутазы (СОД) и каталазы, ферментов, характерных для аэробного метаболизма, и могут сегодня рассматриваться как самые перспективные источники антиоксидантов ферментативной природы.

На заметку

 Основные позитивные воздействия СОД (Супероксиддисмутазы) на системы человеческого организма

Антиоксидантное; регенерирующее; ранозаживляющее; противоаллергическое; противовоспалительное; антиатерогенное; противоожоговое; геропротекторное; радиопротекторное; кардиопротекторное; онкопротекторное; антитоксическое; антивирусное; поддержка функции половых желез.

Примечание: В настоящее время в косметической практике СОД считается перспективным антиоксидантом. Перечень фирм, выпускающих элитную косметику с СОД пока невелик: Lancome, Neways, Mery Kay, Jason, SOD Cosmetic Artpia, Artisum, Viva la skin, AFE, Dabao, Skin Care Collection, Рэсбио,  Шарм Клео Косметик. Для этих фирм СОД заняла свое достойное место в группе биологически активных веществ, являющихся основой anti-age концепции ухода за кожей. Следует отметить, что пропионовокислые бактерии, являющиеся  продуцентами СОД, также привлекают внимание для целей косметологии и эстетической медицины. В частности уже сегодня разработаны рецептуры приготовления косметических масок с использованием заквасок чистых культур P.Shermanii. При ферментации творожной сыворотки в присутствии термически обработанной бентонитовой глины происходит наибольший выход биомассы и метаболитов их жизнедеятельности, в т.ч. СОД. См. подробнее: Применениие ПКБ в косметологии

Защита от преждевременного старения: длительность жизни человека тесно связана с концентрацией СОД в теле и органах.

Защита кожного покрова:

• смягчение кожи, устранение воспалительных реакций;
• нейтрализация АФК, образующихся под воздействием УФ-лучей;
• нормализация ПОЛ и восстановление барьерной функции рогового слоя кожи;
• защита гиалуроновой кислоты;
• защита от действия химических раздражителей;
• уменьшение и предотвращение омертвления (некроза) кожи;
• предотвращении образовании морщин за счет предотвращения образования поперечных сшивок коллагена;
• устранение пигментных пятен на коже.
  

Сохранение волос:

• улучшение состояния кожи волосистой части головы; 
• ингибирование процессов окисления кератина.
  

Использование СОД полезно при: 

профилактике старения организма; профилактике рака; воспалительных процессах (альтернатива кортикостероидам); снижении АД; снижении уровня липидов и сахара в крови; миокардиальной ишемии; сахарном диабете;  эмфиземе легких; респираторных инфекциях; пневмонии; гепатопатии; нефропатии; цистите; воспалении толстого кишечника; проктите; ожогах; дерматомиозитах; механических травмах глаз; ожогах роговиц; дистрофии роговицы различного генеза; инфекционных кератитах (в составе комплексной терапии);  первичной глаукоме (в составе комплексной терапии); предотвращении повреждений при радиационной терапии; остеоартрите; ревматическом артрите; бурсите; красной волчанке; обработке сигарет для уменьшения содержания нефтяных смол и никотина.

Дополнительная информация:

• Антиоксиданты и свободные радикалы
• Антиоксидантные свойства пробиотиков
• Антиоксидантные свойства лакто- и бифидобактерий
• Роль супероксиддисмутазы при акне и терапевтический потенциал пропионовокислых бактерий
• Селен-зависимая глутатионпероксидаза

Будьте здоровы!