Токсичность кислорода

Известно, что кислород токсичен для живых организмов. Например, некоторые из строгих анаэробов погибают в кислородсодержащей атмосфере. Токсичность кислорода для организмов ставит два вопроса:

1) почему он токсичен?

2) почему аэробы способны выжить в атмосфере, содержащей это токсичное вещество?

На эти вопросы логично ответить следующим образом. В невозбужденном состоянии кислород нетоксичен.Однако его электронная структура, содержащая два неспаренных электрона

накладывает ограничения на то, каким образом кислород способен выступать в роли акцептора электронов.

Реакция восстановления О₂ в 2О^-2: идет не одномоментно, а имеют место четыре одноэлектронных перехода:

Суммарно

Промежуточные продукты восстановления: – супероксиданион, – пероксид водорода, – гидроксильный радикал представляют собой сильные окислители.

Гидроксильный радикал может образоваться и в ходе следующей реакции:

Небольшие количества токсичных форм кислорода, и образуются как продукты окислительного метаболизма в клетках, а также на заключительном этапе передачи электронов на кислород (в дыхательной цепи) осуществляемой цитохромоксидазой.

Активные формы кислорода весьма токсичны для клеток, т.е. они повреждают многие клеточные структуры. Кислородные радикалы и пероксиды способны разрушать белки, липиды и нуклеиновые кислоты. Основными мишенями свободных радикалов являются ненасыщенные связи в липидах мембран. Полиненасыщенные жирные кислоты, входящие в состав мембран, – это основные субстраты процессов пероксидного окисления липидов (ПОЛ). Первичными продуктами ПОЛ являются диеновые коньюгаты:

–СН₂–СН₂–СН=СН–СН=СН–СН₂–

Образование этих продуктов ведет к увеличению полярности хвостов жирных кислот, что в свою очередь ведет к их вытеснению из толщи мембраны на поверхность. В определенной степени эти процессы способствуют самообновлению клеточных мембранных структур, а также оказывают существенное воздействие на проницаемость мембран. Однако чрезмерное образование активных форм кислорода ведет к значительным нарушениям структуры и функцию липидов, белков, нуклеиновых кислот, что в конечном итоге приводит к гибели клетки.

Активные формы кислорода окисляют группы –SH– полипептидных цепей белков, приводят к инактивации белков. Окислительное повреждение ДНК может индуцировать мутацию.

У млекопитающих повреждение сердца при сердечном приступе связано с усилением образования свободных радикалов в месте повреждения ткани. Предполагается, что разрушение молекул под действием токсичных форм кислорода может быть также важнейшим неспецифическим фактором в пато-генезе широкого круга заболеваний, включая артриты, эмфизему, некоторые виды рака и даже процесс старения.

Частичная детоксикация Н₂О₂ и происходит при участии природных антиоксидантов, например аскорбиновой кислоты, витамина Е и глу-татиона. Н₂О₂ обезвреживается также под действием ферментов – каталазы и пероксидазы:

(где ДН₂ – восстановленное органическое соединение, выступающее в качестве донора водорода)

Супероксиданион радикал кислорода обезвреживается ферментом супероксиддисмутазой:

Образующаяся Н₂О₂ разлагается антиоксидантами, каталазой и пероксидазой. Супероксиддисмутаза обнаружена во всех аэробных организмах от токсичного действия кислорода. У анаэробов этот фермент отсутствует.

В эукариотических клетках фермент глутатионпероксидаза более эффективно осуществляет детоксикацию Н₂О₂, чем каталаза. В качестве кофактора этот фермент содержит восстановленный глутатион, а также в активном центре фермента содержится аминокислота селеноцистеин. Цинк, медь и марганец являются необходимыми компонентами для активности изоферментов супероксиддисмутазы. Таким образом мы видим, что микроэлементы играют также важную роль в детоксикации активных форм кислорода.

5.4 Пентозофосфатный путь окисления углеводов

Помимо катаболизма углеводов по пути гликолиза существует другой, альтернативный путь, получивший название гексозомонофосфатного или пентозофосфатного пути.

Расхождение путей окисления начинается со стадии образования глюкозо-6-фосфата.

Если глюкозо-6-фосфат изомеризуется во фруктозо-6-фосфат, который фосфорилируется второй раз и превращается во фруктозо-1,6-дифосфат, то в этом случае дальнейший распада углеводов происходит по обычному гликолитическому пути. Если второго фосфорилирования фруктозы-6-фосфат не происходит, то фосфорилированная глюкоза может подвергаться прямому –окислению до фосфопентоз.

В норме доля пентозофосфатного пути в количественном превращении глюкозы обычно невелика, варьирует у разных организмов и зависит от типа ткани, ее функционального состояния.

Значение этого пути в обмене веществ велико. Этот путь выполняет 3 основные функции:

1) поставляет НАДФН, который используется в биосинтезе жирных кислот, холестерина и т.д.;

2) является источником рибозо-5-фосфата, необходимого для синтеза нуклеиновых кислот;

3) генерирует эритрозо-4-фосфат, который используется для синтеза ароматических аминокислот: фенилаланина, тирозина, триптофана.

Реакции пентозофосфатного цикла протекают в цитоплазме клетки и состоят из окислительной и неокислительной стадий.

Первая окислительная реакция – дегидрирование глюкозо-6-фосфата:

6-Фосфоглюконолактон – соединение неустойчивое и с большой скоростью гидролизуется:

Во второй окислительной реакции 6-фосфоглюконовая дегидрируется и декарбоксилируется:

Рибулозо-5-фосфат может изомеризоваться с образованием ксилулозо-5-фосфат или рибозо-5-фосфат:

При определенных условиях пентозофосфатный путь на этом этапе может быть завершен. Однако при других условиях наступает неокислительный этап пентозофосфатного цикла. Реакции этого этапа не связаны с использованием кислорода и протекают в анаэробных условиях.

Шесть молекул глюкозо-6-фосфата, вступая в пентозофосфатный цикл, образуют 6 молекул рибулозо-5-фосфата и 6 молекул СО₂, после чего из 6 молекул рибулозо-5-фосфата снова регенерируется 5 молекул глюкозо-6-фосфата. Образовавшийся НАДФН используется в цитозоле на восстановительные синтезы и, как правило, не участвует в окислительном фосфорилировании, протекающем в митохондриях.

5.5 Включение других углеводов в процесс гликолиза

Кроме глюкозы окислению могут подвергаться и другие моносахариды, которые образуются при гидролизе дисахаридов и полисарахаридов, например: фруктоза – при гидролизе сахарозы и т.д. При этом они превращаются тем или иным путем в глюкозу или фруктозу-6- фосфат.

5.5.1Фруктоза

Фруктоза включаясь в гликолиз, подвергается фосфорилированию при участии фермента гексокиназы и АТФ:

Эта реакция ингибируется глюкозой, образовавшийся фруктозо-6- фосфат превращается во фруктозо-1,6-бисфосфат (см. реакции гликолиза), что в итоге приводит к образованию ПВК. Таков главный путь включения фруктозы в метаболизм в мышечной ткани, почках. Однако, в печени существует другой путь включения фруктозы в гликолиз.

В ней имеется фермент фруктокиназа, который катализирует фосфорилирование фруктозы не по шестому, а по-первому атому углерода:

Эта реакция не блокируется глюкозой. Образовавшийся фруктозо-1-фосфат расщепляется под действием альдолазы на диоксиацетонфосфат и Д-глицеральдегид:

Образовавшийся глицеральдегид под влиянием соответствующей киназы подвергается фосфорилированию и включается в гликолиз:

Схематически данный процесс можно представить таким образом (ферменты см. в тексте):

Галактоза

Обмен галактозы начинается с превращения ее в галактозо-1-фосфат. Эта реакция катализируется галактокиназой:

Далее галактозо-1-фосфат в присутствии УДФ-глюкозы и фермента трансферазы превращается в УДФ-галактозу, одновременно образуется глюкоза-1-фосфат:

Глюкозо-1-фосфат переходит в глюкозо-6-фосфат и далее участвует в гликолизе или под влиянием фосфатазы образует свободную глюкозу.

УДФ-галактоза под действием эпимеразы превращается в УДФ-глюкозу:

УДФ-глюкоза взаимодействуя с пирофосфатом образует глюкозо-1-фосфат:

Глюкозо-1-фосфат следует по пути превращений описанных выше.

Схематически этот процесс можно представить (ферменты см. в тексте):

Биосинтез

Глюконеогенез

Глюкоза может не только окисляться в клетках, но и синтезироваться из различных продуктов метаболизма. Такими продуктами в первую очередь являются молочная и пировиноградная кислоты, так называемые гликогенные аминокислоты, глицерол и др. соединения, иначе говоря, предшественниками глюкозы в глюконеогенезе может быть пируват или любое соединение, превращающееся в процессе катаболизма в пируват или один из промежуточных продуктов цикла трикарбоновых кислот. Таким образом, ГЛЮКОНЕОГЕНЕЗ-это синтез глюкозы из неуглеводных продуктов.

Большинство стадий глюконеогенеза представляет собой обращение реакций гликолиза. Только 3 реакции гликолиза необратимы, поэтому на 3-х этапах используются другие ферменты.

Рассмотрим синтез глюкозы из пировиноградной кислоты.

Реакция превращения ПВК в фосфоенолпировиноградная кислоту необратима, поэтому ФЕП получается обходным путем. Первый этап протекает в митохондриях:

Коферментом пируваткарбоксилазы является биотин (витамин Н).

Оксалоацетат не может пройти через мембрану митохондрий, поэтомувосстанавливается в митохондриях до яблочной кислоты под действием митохондриальной малатдегидрогеназы:

Малат легко выходит из митохондрии в цитоплазму. Здесь он вновь окисляется при помощи цитоплазматической малатдегидрогеназы:

Путем декарбоксилирования и фосфорилирования оксалоацетат превращается в фосфоенолпировиноградную кислоту:

Далее идут обратимые реакции гликолиза, вплоть до превращения фруктозо-1,6-бисфосфат во фруктозо-6-фосфат. Это вторая необратимая реакция, катализируемая ферментом фосфатазой:

Фруктозо-6-фосфат обратимо превращается в глюкозо-6-фосфат, а далее следует третья необратимая реакция:

Фотосинтез

В растительных клетках глюкоза синтезируется за счет фотосинтеза.

Фотосинтез – это синтез углеводов и других органических соединений из неорганических – СО₂ и Н₂О – под действием энергии солнечного света.

Различают две части фотосинтеза – световой и темновой процессы.

Световой процесс включает поглощение света, разложение воды на водород и кислород (фотоокисление),восстановление НАДФ⁺, фосфорилирование АДФ:

Темновой процесс фотосинтеза – это восстановление диоксида углерода за счет водорода НАДФН и энергии АТФ.

Суммарный результат светового и темнового процессов:

Выделяемый растениями кислород образуется из воды при ее разложении в световом процессе.

Поиск по сайту: