Материал: Біологічна та біоорганічна хімія_Мардашко О.О._ изд. 2008-342 с._ОНМедУ-2012

Р-450, що переносить їх на молекулу кисню. У результаті один атом Оксигену з’єднується з двома протонами, утворюючи воду, а другий атом Оксигену окиснює субстрат, утворюючи гідроксисполуку.

Гідроксилази мають потребу в присутності відновлювального агента. Найчастіше це аскорбінова кислота, що служить для підтримки металовмісного каталізатора у відновленій формі. Гідроксилази беруть участь у процесі утворення гормонів кори надниркових залоз, адреналіну й норадреналіну, серотоніну, кальцитріолів, перетворенні проколагену на колаген (перехід проліну і лізину в оксипролін і оксилізин), 7-α - гідроксихолестеролу, жовчних кислот, у гідроксилюванні лікарських речовин (наприклад, антибіотиків, аналгетиків, нестероїдних протизапальних препаратів) та інших чужорідних для організму речовин, особливо якщо вони порівняно погано розчинні у воді. У результаті гідроксилювання розчинність таких чужорідних речовин у воді підвищується, що сприяє їхній детоксикації та виведенню з організму. Звідси стає зрозумілим застосування багатьох лікарських речовин разом з аскорбіновою кислотою, а також використання її при різних захворюваннях і для дезінтоксикації.

Існують певні риси схожості й розбіжностей між мікросомальним і мітохондріальним окисненням. Спільним є те, що відбувається дегідрування субстрату й перенос протонів і електронів по системі переносників, серед яких знаходяться нікотинамідні, флавінові ферменти, негемовий ферум й цитохроми. Одним із кінцевих продуктів є вода. Однак, якщо в мітохондріальному окисненні нікотинамідні коферменти представлені НАД+, то у мікросомальному окисненні — НАДФ+, цитохроми b, c, a, що функціонують у мітохондріальному окисненні, замінені на цитохром Р-450 у мікросомальному. Нарешті, якщо основна біологічна суть мітохондріального окиснення — вивільнення енергії субстратів і акумуляція її в макроергах, то мікросомального — утворення біологічно активних сполук і знешкодження токсичних речовин.

8.4. УТВОРЕННЯ ВІЛЬНИХ РАДИКАЛІВ, ПЕРЕКИСНИХ СПОЛУК. АНТИОКСИДАНТИ

У процесі обміну речовин у клітині перебігає велика кількість окисно-відновних реакцій, при яких можуть утворюватися вільні радикали, що через свої фізико-хімічні властивості становлять серйозну небезпеку для життєдіяльності клітини. У ланцюзі тканинного дихання на рівні убіхінону, коли відбувається поділ потоку протонів і електронів, частина електронів «втрачається», молекула кисню одержує не чотири електрони на зовнішню орбіту, а тільки один. Вільний радикал — це молекула або її частина, що має неспарений електрон на молекулярній або зовнішній атомній орбіті. Наявність такого електрона на-

діляє систему двома характерними властивостями: по-перше, дуже високою реакційною здатністю в хімічних перетвореннях і, у зв’язку з цим, можливістю ушкодження біологічно важливих молекул; по-друге, особливими магнітними властивостями, що робить можливою його реєстрацію за допомогою магнітно-вимірювальних приладів.

Обидва типи окисних процесів перебігають у клітині в нормальних фізіологічних умовах, що приводить до постійного утворення вільних радикалів. Ось чому для всіх гетеротрофних організмів кисень є, з одного боку, життєво необхідним елементом, без якого неможливі окисні реакції (тобто неможливе розщеплення речовин із виділенням великої кількості енергії). Але, з іншого боку, сполука здатна окиснювати речовини з утворенням токсичних для організму вільних радикалів із відповідними наслідками. Таким чином, токсична дія кисню на все живе визначається ступенем його участі у вільнорадикальному окисненні субстрату. Супероксид-аніон (О2-) може одночасно виступати і як окисник (віднімати електрони від субстратів), і як відновник (віддавати електрони субстрату). В обох випадках субстрат, що взаємодіє з супероксиданіоном, перетворюється на вільний радикал.

Кисень токсичний для всього живого не через його власну реакційну здатність. У процесі його відновлення до води утворюються три надзвичайно реакційноздатні проміжні сполуки, дві з яких — вільні радикали. Це супероксидний радикал О2- (супероксиданіон), гідроксильний вільний радикал — –ОН• і пероксид гідрогену Н2О2. Будь-яка реакція або система реакцій з утворенням супероксиданіона кисню ініціюватиме і пероксид гідрогену через високу реактивність радикала.

При нагромадженні в тканинах пероксид гідрогену супероксиданіон може взаємодіяти з ним, даючи вільний гідроксильний радикал (реакція Габера — Вейса):

О2- + Н2О2 → ОН- + ОН• + О2

Супероксиданіон може взаємодіяти з вільним гідроксильним радикалом, утворюючи гідроксил аніон і синглетний кисень 1О2, у якого два електрони на зовнішній орбіті мають різноспрямований спін.

О2- + ОН• → ОН- + 1О2

Якщо від супероксиданіона й пероксиду гідрогену в організмі існують захисні системи, то від вільного гідроксильного радикала і синглетного кисню — їх не існує.

Генерація вільних радикалів відбувається в будь-якій живій клітині в процесі перебігу важливих реакцій, без яких взагалі неможливе її існу-

вання. Як уже зазначалося, супероксидний радикал утворюється в будь-якій клітині в результаті одноелектронного відновлення кисню при роботі дихального ланцюга мітохондрій. Він утворюється в реакціях, що перебігають за участю деяких окисних ферментів. Утворення супероксидного радикала різко зростає при активному фагоцитозі лейкоцитами. Вільні радикали виникають при ферментативному розщепленні АТФ, при виникненні й проведенні збудження по нерву, при роботі натрієвого насоса плазматичних мембран клітин, при окисненні поліненасичених жирних кислот, що входять до складу всіх плазматичних мембран. Утворені при цьому гідроперекиси вищих жирних кислот, на відміну від жирних кислот, що володіють гідрофобністю і тим самим знижують проникність клітинних мембран, отримують гідрофільні властивості й «вимиваються» з поверхні мембран. Імовірно, це один із механізмів відновлення структури плазматичних мембран, що водночас приводить до підвищення їхньої проникності.

Токсична дія вільних радикалів і пероксиду гідрогену визначається тим, що вони здатні різко змінювати структуру практично всіх біологічних макромолекул — нуклеїнових кислот, білків, жирів, вуглеводів — і таким шляхом порушувати їхні функції. Тому вільнорадикальні реакції можуть спричинювати множинні ушкодження в клітині: порушувати структуру мембран, інактивувати ферменти, сприяти нагромадженню неактивних білків тощо. Встановлено, що супероксидний радикал або атакує ДНК клітини безпосередньо, або призводить до утворення вторинних вільних радикалів, які атакують ДНК. Він може спричинити деполімеризацію полісахаридів, окиснення адреналіну, активувати перекисне окиснення ліпідів (ПОЛ). Гідроксильний радикал — найпотужніший з усіх відомих окисників. Він, наприклад, утворюється при радіолізі води — процесі, що визначає дію іонізуючого випромінювання на біологічні системи.

Радикали, що утворюються під дією ферментів або в неферментативних реакціях, ініціюють автокаталітичну ланцюгову реакцію з утворенням органічного пероксиду, який може розпадатися на 2 радикали, що вступають у подальші реакції. Цей процес супроводжується розривами ланцюга жирних кислот і реакціями димеризації. Малоновий діальдегід, що утворюється в результаті перекисного окиснення ліпідів і розриву полієнових кислот, створює основи Шиффа з аміногрупами білка, виступає як зшиваючий агент, утворюючи при цьому нерозчинні ліпідбілкові комплекси.

У ході еволюції всі аеробні організми рослинного й тваринного світу виробили механізми захисту від токсичного впливу кисню. Вік цих механізмів оцінюється в мільярд років. Захист від токсичної дії кисню на клітину забезпечується «дво-

ма ешелонами оборони»: вони зводять до мінімуму утворення токсичних продуктів у ході неферментативного окиснення (тобто вільних радикалів і перекису водню) й ефективно вловлюють ті з них, утворення яких уникнути не вдалося.

«Першу лінію оборони» клітини від вільних радикалів забезпечує група ферментів, наявність яких у клітинах живих організмів встановлено відносно недавно. Вона захищає організм від супероксидного радикала й пероксиду гідрогену, тим самим запобігаючи утворенню вкрай небезпечного гідроксильного радикала. У 1969 р. була відкрита група ферментів супероксиддисмутаз (СОД), які захоплюють супероксидні радикали О2–, що генеруються в клітині, і, з’єднуючи їх із двома протонами, перетворюють на Н2О2 і молекулярний кисень.

Дві інші групи ферментів — каталаза і пероксидази — призначені для вловлювання Н2О2. Вони каталізують двохелектронне відновлення його до води:

1) або використовуючи пероксид гідрогену як донатор електрона (у випадку каталази)

Н2О2 + Н2О2 → 2Н2О + О2

2) або залучаючи різні відновники (у випадку пероксидаз)

Н2О2 + 2DH2 → 2Н2О + DH2 + D,

де D — відновник.

Ці групи ферментів зводять концентрацію супероксидного радикала й Н2О2 в клітинах до абсолютно малої. Так, із кожних 106 супероксидних радикалів через супероксиддисмутазний захист проходять 3–4.

Велике значення має глутатіонова протипероксидна система. Глутатіонпероксидаза каталізує реакцію окиснення глутатіону Н2О2:

Н2О2 + 2ГлуSH → 2H2O + Глу–S–S–Глу Або для органічних перекисів:

2ROOH + 2ГлуSH →

→2R–OH + 2H2O + Глу–S–S–Глу

Глутатіонпероксидаза (ГП) — селенвмісний фермент, на відміну від більшості пероксидаз він не є гемпротеїном і захищає клітини від Н2О2 й органічних перекисів. До складу ГП входить Селен (Se) замість Сульфуру (S) серину.

Оскільки в процесі ферментної реакції окиснюється глутатіон, то для його редукції в клітинах існує глутатіонредуктаза, яка за участю відновленого НАДФ+ редукує окиснений глутатіон.

Окиснена ГП за участю відновленого глутатіону перетворюється на відновлену ГП, а відновлений глутатіон окиснюється:

E–SeOH + 2Глу–SH → E–SeН + Глу–S–S–Глу + Н2О

Окиснена Відновлений Відновлена Окиснений ГП глутатіон ГП глутатіон

Окиснений глутатіон за участю ферменту глутатіонредуктази (кофермент НАДФ+) перетворюється на відновлену форму:

Глу–S–S–Глу + НАДФH +H+ →

→2Глу–SH + НАДФ+

мембрани від ушкодження. Оскільки найчутливішими до ушкодження є мембрани молодих клітин, до яких у першу чергу належать клітини системи кровотворення й статеві клітини, то стає зрозумілою роль токоферолу в процесі розмноження.