Коферменты являются акцепторами водорода

Биологическое окисление

1.1.Определение. Биологическое окисление - это совокупность реакций окисления субстратов в живых клетках, основная функция которых –энергетическое обеспечение метаболизма.

Биологическое окисление связано только с взаимодействием субстрата с кислородом и его производными или с дегидрированием субстрата.

Потребление кислорода тканями зависит от интенсивности реакций тканевого дыхания. Наибольшей скоростью тканевого дыхания характеризуются почки, мозг, печень, наименьшей –кожа, мышечная ткань в покое.

Ферменты, катализирующие окислительно-восстановительные реакции, называются оксидоредуктазами (существует 17 подклассов). Их подразделяют на 4 группы:

1). Дегидрогеназы катализируют перенос водорода от субстрата (S) на кофермент акцептор (А).

SН₂ + А → S + АН₂, есть две основные группы дегидрогеназ, которые различаются по используемым коферментам:

1.1. Пиридинзавасимые дегидрогеназы (кофермент НАД⁺ или НАДФ⁺). Никотинамид синтезируется в организме из триптофана или поступает с пищей (витамин РР).

1.2. Флавиновые дегидрогеназы (кофермент ФАД или ФМН). ФМН и ФАД образуются в организме из рибофлавина (витамин В₂).

Коферменты являются акцепторами водорода.

2). Оксидазы – катализируют перенос электронов от S на молекулярный кислород:

3). Оксигеназы катализирует включение кислорода в молекулу органического субстрата (см. свободное окисление или микросомальное окисление). Их подразделяют на две группы:

-диоксигеназы (истинные), включающие оба атома кислорода в молекулу субстрата S:

- монооксигеназы (гидроксилазы) – включают в субстрат только один атом кислорода, другой атом восстанавливается до воды в присутствии дополнительного донора восстановительных эквивалентов (НАДН или НАДФН):

- гидропероксидазы (пероксидазы и каталазы) катализируют разрушение перекиси водорода. 2Н₂О₂ → 2Н₂О +О₂.

4). Свободнорадикальное окисление (см. ниже)

2. Активне формы кислорода - АФК(свободнорадикальное окисление)

2.1. Под свободным окислением понимают реакции, энергия которых не трансформируется в энергию АТФ.

К таким реакциям относятся реакции микросомального окисления.

Микросомы – это фракция морфологически замкнутых везикул, в которые превращаются эндоплазматическая сеть. В них содержатся активные оксигеназы – ферменты, катализирующие включение кислорода в молекулу субстрата (S) –см. выше - оксигеназы.

2.2. Пути образования свободных радикалов:

- Реакции восстановления кислорода до Н₂О в дыхательной цепи - основной источник свободных радикалов.

- Некоторые метаболические процессы (микросомальное окисление, распад пуриновых нуклеотидов, фагоцитоз и др.).

2.3. Главным источником радикалов в организме является молекулярный кислород, а в случае радиационного (см. радиолиз) воздействия – вода.

2.3.1. Молекулярный кислород. О₂ содержит два неспаренных электрона (бирадикал ) с одинаково орентированными спинами (), занимающими внешние орбитали, каждая из которых может принимать еще один электрон.

а) При полном восстановлении в биологических системах молекула кислорода превращается в две молекулы воды:

Присоединение первого электрона образует супероксидный анион ; присоединение двух электронов образует пероксидный анион . Полное восстановление О₂ до 2Н₂О требует присоединения четырех электронов.

б) При неполном восстановлении кислорода образуются различные его активные (токсичные) формы (способные убить живую клетку).Среди радикалов кислорода наибольшее значение имеют:

супероксидный анион –радикал , гидроперооксидный радикал , пероксид водорода , гидроксидный радикал

Однако в организме в большинстве случаев восстановление кислорода происходит поэтапно, с переносом одного электрона на каждом этапе.

В первом случае, получая еще один электрон, в водной среде он превращается в пероксид водорода:

Во втором случае супероксид теряет электрон и превращается в кислород:

Донорами электрона (в первой реакции) или акцепторами (во второй) могут быть разнообразные вещества.

В том числе возможна и такая реакция, когда одна молекула супероксида слу­жит донором электрона, а другая -акцептором (реакция дисмутации):

Пероксид водорода в свою очередь может восстанавливаться супероксидом:

В этой реакции образуется свободный гидроксильный радикал .

Гидроксильный радикал при взаимодействии с супероксидом образует синглетный кислород:

В молекуле синглетного кислорода оба электрона внешней орбиты имеют разнонаправленный спин.

АФК – это группа высокоактивных свободнорадикальных частиц ( супероксидный анион, гидроксидный радикал, гидроперооксидный радикал ) и нейтральних молекул (пероксид водорода и гипохлорная кислота (НОCl)).

Супероксидный анион – радикал сравнительно малоактивен и в основным повреждающим агентом в биологических системах является высокореакционноспособный гидроксильный радикал .Гидропероксильный радикал также активен и легко проникает в гидрофобные области мембраны.

Источником супероксида может служить также неферментативное частичное окисление оксигемоглобина в метгемоглобин (вероятное спонтанное окисление):

Немаловажную роль в продуцировании АФК играют и др. металлы переменной валентности .

Некоторые анаэробные микроорганизмы особенно чувствительны к токсическому действию кислорода вследствие слабого развития у них защитных механизмов. Такие микроорганизмы (облигатные анаэробы) могут размножаться только в местах, не доступных для кислорода, например в кишечнике животных, в глубоких слоях омертвевших тканей при гангрене.

2.3.2. Радиолиз. При радиационном воздействии на организм его вода подвергается радиолизу. При радиолизе воды ее молекула распадается с образованием различных радикальных частиц в зависимости от энергии облучения.

1) При небольшой энергии облучения (E₁) молекула воды, переходя в возбужденное состояние , затем распадается на два радикала и . Эти активные частицы могут образовывать другие активные формы кислорода.

2) При большой энергии облучения (E ₂) происходит настолько сильное возбуждение молекулы воды, что она распадается на быстрый электрон и катион-радикал воды (). Быстрый элек­трон через 10^-11 с подвергается гидратации. Он может взаимодействовать дальше с образованием новых радикальных частиц (например, ). Катион-радикал воды, взаимодействуя с молекулой воды, образует гидроксидный радикал и гидроксоний-ион Н₃О⁺. Таким образом, в результате радиолиза воды в организме происходит увели­чение кислотности (закисление) среды (ацидоз) и обра­зуются активные формы кислорода.

Возникающие при радиолизе атомарный водород и гидратированный электрон являются чрезвычайно активными частицами с сильными восстановительными свойствами. Благодаря этому они легче взаимодействуют с кислородом, образуя его активные формы.

3. Биологическое значение. Образование супероксид-аниона кислорода имеет важное биологическое значение ( он играет роль инициирующего фактора в развитии свободнорадикальных реакций).

Супероксид-анион вследствие высокой гидрофильности не может покидать клетку и накапливается в цитоплазме. Его превращения приводят к образованию ряда активных окислителей (рис.):

1) Он способен активировать NO-синтазу, которая образует в тканях NO-радикал, обладающий свойствами вторичного посредника (активирует растворимую гуанилатциклазу, продукт которой-цГМФ (циклический аденозин -3`, 5`- монофосфат)-проявляет вазодилататорные свойства (вазодилатация –это релаксация гладкой мускулатуры в стенках кровеносных сосудов; результатом этого процесса является выделения из базофилов гистамина и гепарина, что ведет к расширению сосудов).

2) С другой стороны, супероксид-анион способен снижать содержание NO-радикала, превращая его в пероксинитрит ONOOH (см. рис.).

Даже в отсутствие поступления нитритов и нитратов с пищей, нитраты, образующиеся, в конечном счете, из аргинина, обнаруживаются в биологических жидкостях здоровых людей, причем у больных с опухолями в повышенных количествах.

Пероксид водорода может генерировать гидроксил-радикал в присутствии двухвалентного железа или превращаться в гипохлорит-анион ОСl^- ферментом миелопероксидазой.

Как гипохлорит-анион, так и гидроксил-радикал являются сильными окислителями. Они способны модифицировать белки, нуклеиновые кислоты, индуцировать перекисное окисление липидов (см. ниже!!!!) (от которого наиболее сильно «страдают» полиненасыщенные мембранные липиды) и в результате цепных реакций приводить к множественным нарушениям мембран и к гибели клеток.

Важным дополнением этих реакций является способность NO-радикала при взаимодействии с супероксид-анионом образовывать пероксинитрит, который может индуцировать так называемый апоптоз (запрограммированная гибель клеток), а в ходе своего спонтанного распада превращаться в гидроксил-радикал. Последний может образовываться также из гипохлорит-аниона в присутствии ионов железа.

Кроме того, избыточная продукция N0 чревата немедленными тяжелыми последствиями, принимающими форму эндотоксического шока, когда липополисахариды грамотрицательных бактерий вызывают столь мощное образование N0 в гладких мышцах сосудов, что это приводит к падению системного кровяного давления и развитию характерных для шока нарушений кровообращения. Кроме цитотоксических, описаны многочисленные регуляторные эффекты оксида азота, производимые на клетки иммунной системы.

Процессы, протекающие до момента образования гипохлорит-аниона или гидроксил-радикала, локализованы в цитоплазме и контролируются цитоплазматическими ферментами или природными водорастворимыми антиоксидантами (см. ниже!!!!).

Рис.____ Взаимопревращения свободных радикалов и их основные функции в тканях.

Полное подавление перекисных процессов в тканях, нецелесообразно, свободные радикалы обладают полезными свойствами. Они индуцируют апоптоз, участвуют в формировании клеточного иммунитета. Образование гидроперекисей жирнокислотных цепей полиненасыщенных фосфолипидов повреждает бислой и, стимулируя работу фосфолипаз, способствует высвобождению жирных кислот из состава мембранных липидов. Полиненасыщенная арахидоновая кислота является обычной мишенью для свободнорадикальной атаки. Этот процесс может стимулировать ферментативные превращения ее по одному из двух путей- липоксигеназному или циклооксигеназному. В результате в клетке образуются важные биологические регуляторы: простагландины, лейкотриены, тромбоксаны. Лизофосфолипиды, образующиеся при отщеплении модифицированной жирной кислоты, могут быть восстановлены до исходного состояния с использованием другой жирной кислоты (в форме ацил-КоА). Таким образом, может регулироваться жирнокислотный состав липидных молекул в клеточной мембране.

Фагоцитоз. В очаге воспаления свободнорадикальные процессы могут значительно активироваться, что связано с активной гиперемией, сопровождающейся повышением доставки кислорода в ткани. Однако даже при гипоксии свободнорадикальные процессы могут происходить активно в присутствии достаточного количества липидных субстратов. Активные радикалы кислорода выбрасываются фагоцитами в окружающую среду, повреждая мембраны микробных и собственных клеток, способствуя расщеплению антигенов и иммунных комплексов. Это накопление свободных радикалов во внеклеточной среде называют «окислительный взрыв» или «окислительный фагоцитоз»

Свободнорадикальные превращения вовлекаются в механизмы, по­вышающие выживаемость клеток в неблагоприятных условиях, а снижение генерации свободных радикалов в организме способствует ослаблению клеточного иммунитета. Однако усиленная генерация свободных радикалов сопровождает патологические состояния (болезнь Паркинсона, Альцгеймера) и сам процесс биологического старения. У больных с миелопролиферативными заболеваниями лейкоциты утрачивают способность генерировать активные радикалы, одновременно резко снижается их антимикробная деятельность. Наоборот, при стимуляции фагоцитов воздействием С1-фрагмента комплемента, Fc-фрагмента иммуноглобулинов или фибронектина активируются радикальные процессы и повышается интенсивность фагоцитоза.

Поиск по сайту: