Материал: Лекции по общей биохимии (2. биологическое окисление) 2009

Электроны, необходимые для образования АФК могут давать ЦПЭ. Утечка е^- из ЦПЭ на кислород является основным путем образования АФК в большинстве клеток:

1. В цепи окислительного фосфорилирования Q принимая 1 е^- превращается в свободный радикал семихинон НQ^∙, который при реоксигенации ишемических тканей может непосредственно взаимодействовать с кислородом, образуя супероксидный анион-радикал: HQ· + O₂ → Q+ О^∙₂ + H⁺;

2. в монооксигеназных реакциях е^- с цитохрома Р₄₅₀ переходит на кислород с образованием супероксидного анион-радикала, который иногда теряется с активного центра.

3. Аэробные дегидрогеназы (ФАД-зависимые оксидазы) переносят е^- и Н⁺ с субстрата на кислород с образованием перекиси водорода. Примеры таких оксидаз — оксидазы амино­кислот, супероксид дисмутаза, оксидазы, лока­лизованные в пероксисомах.

Неферментативные реакции образования АФК

Электроны, необходимые для образования АФК могут давать:

1). Металлы переменной валентности. Наличие в клетках Fe²⁺ или ионов других пе­реходных металлов катализирует обра­зования АФК. Например, в эритроцитах окисление иона железа гемоглобина спо­собствует образованию супероксидного анион-радикала.

Hb(Fe²⁺) + O₂ → MetHb(Fe³⁺) + О^∙₂

H₂O₂ + Fe²⁺ → Fe³⁺ + HO^- + HO· (реакция Фентона)

HOCl + Fe²⁺ → Fe³⁺ + Cl^- + HO· (реакция Осипова)

2). Радикалы. АФК, обмениваясь электроном, легко переходят друг в друга: О^∙₂ + Н₂О₂ → О₂ + НО^∙ + ОН^-

АФК также могут образовываться в организме неферметативно при гомолитическом разрыве связей под действием ионизирующего излучения. Ионизирующее излучение вызывает например, радиолиз воды с образованием Н₂; Н₂О₂ и свободных радикалов: Н^·, НО^∙, О^·. Это процесс в основном происходит на поверхности тела - в коже (понятие фотостарения).

Свойства активных форм кислорода

Кислородные радикалы, обладая высокой активностью, разрушают органические молекулы в реакциях свободно-радикального окисления (СРО). Большая часть этих реакций протекает с полиненасыщенными жирными кислотами липидов, и называется перекисным окислением липидов (ПОЛ). Реакции ПОЛ являются цепными.

Наиболее химически активным соединением является гидроксильный радикал - сильнейший окислитель. Время его жизни очень короткое (1 миллиардная доля секунды), но за это время он мгновенно вступает в цепные окислительные реакции в месте своего образования.

Супероксидный анион-радикал и перекись водорода более стабильные вещества, могут диффундировать от места образования, проникать через мембраны клеток. Однако, перекись водорода способствует образованию гидроксильного радикала по следующей реакции:

Fe²⁺ + Н₂О₂ → Fe³⁺ + НО^∙ + ОН^-

Использование активных форм кислорода в организме

1. Иммунная система. АФК используются фагоцитарными клетками - тканевыми макрофагами, моноцитами и гранулоцитами крови для разрушения бактерий, вирусов и онкоклеток.

• Фагоциты с участием НАДФН₂-оксидазы выделяют супероксидный анион-радикал: НАДФН₂ + 2O₂ → НАДФ⁺ + 2О^∙₂ + 2Н⁺

• Под действием супероксиддисмутазы (СОД) супероксидный радикал превращается в перекись водорода: 2О^∙₂ + 2H⁺ → H₂O₂+ O₂

• Под действием миелопероксидазы H₂O₂, превращается в гипохлорит – соединение, разрушающее стенки бактериальных клеток: H₂O₂ + Cl^- → H₂O + ClO^-.

При дефиците в клетках СОД, ферритина, а в плазме церулоплазмина, трансферрина активируются альтернативные реакции:

• Fe³⁺ + О^∙₂ → Fe²⁺ + O₂

• Fe²⁺ + H₂O₂ → Fe³⁺ + НО^∙ + ОН^-

• Fe²⁺ + ClO^- + H⁺ → Fe³⁺ + Cl^- + НО^∙

Фактор некроза опухоли

2. Поддержание гомеостаза.

Эйказаноиды – медиаторы воспаления

3. Внутриклеточное пищеварение. В пероксисомах образуются АФК. Когда пероксисомы сливаются с фагосомами, АФК обеспечивают внутриклеточное пищеварение.

Повреждающее действие активных форм кислорода в организме

Радикалы гидроксила химически исключительно активны и вызывают повреждение белков, нуклеиновых кислот и липидов биологических мембран. В белках происходит неферментативное окисление аминокислотных остатков гистидина, цистеина, триптофана. Таким образом, инактивируют многие ферменты. Особенно тяжелые последствия имеют повреждение ДНК и липидов. Радикалы НО^∙ вызывают разрыв нитей ДНК, обладая, в зависимости от ситуации, мутагенным, канцерогенным или цитостатическим действием. Радикалы гидроксила инициируют цепную реакцию ПОЛ, при этом нарушаются физико-химические свойства мембран - проницаемость, рецепторная функция и работа мембранных белков. Повреждение барьера приводит к нарушению регуляции внутриклеточных процессов и тяжелым расстройствам клеточных функций. Свободно-радикальные реакции часто вызывают гибель клеток и целом ускоряют процесс старения организма.

Антиоксидантная система

В нормальных условиях процесс СРО находится под строгим контролем ферментативных и неферментативных систем клетки, от чего скорость его невелика. Химические соединения и физические воздействия, влияющие на скорость СРО, делят на прооксиданты и антиоксиданты.

Прооксиданты усиливают процессы СРО. Это высокие концентрации кислорода (например, при длительной гипербарической оксигенации больного), ферментные системы, генерирующие супероксидные радикалы (например, ксантиноксидаза, ферменты плазматической мембраны фагоцитов и др.), ионы двухвалентного железа.

Антиоксиданты тормозят СРО. Антиоксиданты, находящиеся в организме, образуют его ферментативную и неферментативную антиоксидантную систему.

1. Ферментативная антиоксидантная система

К ферментам, защищающим клетки от действия активных форм кислорода, относят супе-роксиддисмутазу, каталазу и глутатионпероксидазу. Наиболее активны эти ферменты в печени, надпочечниках и почках, где содержание митохондрий, цитохрома Р₄₅₀ и пероксисом особенно велико.

Супероксиддисмутаза (СОД) превращает супероксидные анионы в перекись водорода:

2О^∙₂ + 2H⁺ → H₂O₂+ O₂

Изоферменты СОД находятся и в цитозоле (Cu²⁺ и Zn²⁺) и в митохондриях (Mn²⁺) и являются как бы первой линией защиты, потому что супероксидный анион образуется обычно первым из активных форм кислорода. СОД — индуцируемый фермент, т.е. синтез его увеличивается, если в клетках активируется СРО.

Каталаза - геминовый фермент, катализирует реакцию разрушения перекиси водорода. При этом образуется вода и молекулярный кислород:

2Н₂О₂ → H₂O+ O₂

Каталаза находится в основном в пероксисомах, где образуется наибольшее количество перекиси водорода, а также в лейкоцитах, где она защищает клетки от последствий «респираторного взрыва» и в эритроцитах, где она защищает гем гемоглобина от окисления.

Глутатионпероксидаза — обеспечивает разрушение перекиси водорода и гидропероксидов липидов при окислении глутатиона (у-глутамилцистеинилглицин): Н₂О₂ + 2 GSH → 2 Н₂О + G-S-S-G. Глутатионпероксидаза в качестве кофермента содержит селен.

Глутатионредуктаза восстанавливает окисленный глутатион с участием НАДФН₂:

GS-SG + НАДФН₂ → 2 GSH + НАДФ⁺.

Недостаток глутатиона в клетках, например эритроцитах, который может быть обусловлен действием токсических веществ, например ионами тяжелых металлов или наследственным недостатком глутатионредуктазы приводит к активации перекисного окисления; это, в частности, наблюдается при некоторых видах гемолитических анемий.

Фосфолипаза в мембране отщепляет от фосфолипидов окисленные жирные кислоты, содержащие гидроперекисную группу (LOOH), тем самым разрушаются гидроперекиси липидов, предотвращается разветвление цепей окисления липидов в мембранах.

2. Неферментативная антиоксидантная система

"Липидные антиоксиданты" - производные фенола, способны инактивировать свободные радикалы в гидрофобном слое мембран и предотвращать развитие ПОЛ. К ним относится α-токоферол (витамин Е), убихинон (коэнзим Q), тироксин и синтетические соединения, например ионол (бутилированный гидрокситолуол).

Витамин Е (α-токоферол) самый распространённый липофильный антиоксидант, он обеспечивает защиту мембран от СРО. Различают 8 типов токоферолов, но α-токоферол наиболее активен. α-Токоферол отдаёт атом водорода радикалу липида ROO^∙, восстанавливает его до гидропероксида (ROOH), а сам превращается в малоактивный свободный радикал, что прерывает ПОЛ:

Регенерацию α-токоферола осуществляет витамин С.

Свободный радикал витамина Е стабилен и не поддерживает ПОЛ, он взаимодействует с радикалами липидных перекисей, восстанавливает их, а сам превращается в стабильную окисленную форму — токоферолхинон.

Витамин С ингибирует СРО с помощью двух различных механизмов:

1). восстанавливает в мембранах токоферолхинон до витамина Е:

НО-аскорбат-ОН + α-ТФ-О· → α-ТФ-ОН + НО-аскорбат-О· (семидегидроаскорбиновая к-та)

НО-аскорбат-О· + α-ТФ-О· → α-ТФ-ОН + О=аскорбат=О (дегидроаскорбиновая к-та)

Регенерация аскорбиновой кислоты идет с участием ферментативных систем:

а). В микросомах, с участием комплекса НАДН₂-редуктаза-цитохром b₅:

2НО-аскорбат-О· + НАДН₂ → 2НО-аскорбат-ОН + НАД⁺

б). В митохондриях, с участием НАДН₂-семидегидроаскорбатредуктазы:

2НО-аскорбат-О· + НАДН₂ → 2НО-аскорбат-ОН + НАД⁺

в). В цитозоле, с участием НАДФН₂-дегидроаскорбатредуктазы:

О=аскорбат=О + 2НАДФН₂ → НО-аскорбат-ОН + 2НАДФ⁺

г). В цитозоле, с участием GSH-дегидроаскорбатредуктазы:

О=аскорбат=О + 2GSH → НО-аскорбат-ОН + GS-SG

2). взаимодействует с активными формами кислорода — О^∙₂, Н₂О₂, НО^∙ и инактивирует их.

β-Каротин, предшественник витамина А, также обладает антиоксидантным действием и ин-гибирует ПОЛ.

Соединения, связывающие железо. Большинство из них, включая такие природные соединения как дипептид карнозин, не просто связывают железо, но, самое главное, не дают ему возможности приникнуть в липидную фазу мембран, поскольку образующиеся комплексы, в силу своей полярности, не проникают в гидрофобную зону.

Для детоксикации двухвалентного железа в организме существует, по-видимому, целая система окисления и связывания ионов железа. В плазме крови эта система представлена ферментом церрулоплазмином (феррооксидазой), который окисляет Fe²⁺ до Fe³⁺ кислородом без образования свободных радикалов, и белком трансферрином, который связывает и переносит в кровяном русле ионы трехвалентного железа, которые затем захватывается клетками. В клетках железо может восстанавливаться аскорбиновой кислотой и другими восстановителями, но затем окисляется и депонируется в окисленной форме внутри ферментного белкового комплекса ферритина.

Литература:

1. В.В. Кржечковская, А.А. Кубатиев, Ю.И. Наумов. Мембраносвязанный цитохром b5 и метаболизм липидов (реакции не связанные с участием системы цитохрома р -450). Серия. Критические технологии. Мембраны, 2004, № 2 (22).

20