Биологическое окисление. Пути использования кислорода. Механизмы оксигеназного и свободно – радикального окисления веществ.

Пути использования кислорода

ОКСИГЕНАЗНЫЙ ПУТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ КИСЛОРОДА

Оксигеназы это ферменты, которые катализируют включение кислорода в молекулу субстрата. Оксигеназы работают в составе мультиферментных комплексов, встроенных в мембрану и участвуют в синтезе и деградации многих типов ме­таболитов. По способу включения кислорода их делят на: монооксигеназы и диоксигеназы.

Монооксигеназные реакции

Монооксигеназы это ферменты, которые включают в субстрат только один атом молекулы кислорода. Другой атом кислорода восстанавливается до воды с участием электронов и протонов НАДФН2, НАДН2, реже витамин С:

S-Н + О2 + RH2 → S-ОН + Н2О + R  (где R = НАДФН2, НАДН2, витамин С)

Монооксигеназные реакции протекают на цитоплазматической поверхности гладкого ЭПР, их называют микросомальным окислением, и на внутренней поверхности внутренней мембраны митохондрии.

1. Микросомальные монооксигеназные системы

Катализируют низкоспецифичные реакции. Эти монооксигеназы функционируют в комплексе с различными ЦПЭ:

А. Цепь НАДФН2450 редуктаза – Цитохром Р450

Донорами протонов и электронов для этой цепи являются НАДФН2.

Субстратами являются гидрофобные вещества экзогенного (лекарства, ксенобиотики) и эндогенного (стероиды, жирные кислоты и т.д.) происхождения.

Регуляция активности осуществляется индукцией синтеза ферментов. Открыто более 250 веществ-индукторов (барбитураты, спирты, кетоны, стероиды, ароматические углеводороды).

.НАДФН2450 редуктаза. Цитозольный домен содержит 2 кофермента ФАД и ФМН, гидрофобный домен фиксирует фермент в мембране. НАДФН2450 редуктаза переносит  электроны с НАДФН2 на цитохром Р450.

Цитохром Р450 – интегральный гемопротеин, содержит простетическую группу гем, имеет участки связывания для О2 и субстрата. Открыто 150 генов, кодирующих различные изоформы цитохрома Р450. Каждая из изоформ Р450 имеет много субстратов и отличается от других изоформ Р450 только белковой частью.

Цитохром Р450 передает 2 электрона на 1 атом молекулы кислорода, который превращается в О2-, при взаимодействии с 2 протонами О2- дает воду. Второй атом молекулы кислорода включается в субстрат RH, образуя ROH.

Б. Цепь НАДН2-цитохром b5 редуктаза – Цитохром b5 – стеароил-КоА-десатураза

Донорами протонов и электронов для этой цепи являются НАДН2.

НАДН2-цитохром b5 редуктаза – двухдоменный белок, цитозольный домен содержит ФАД, гидрофобный домен фиксирует фермент в мембране. НАДН2-b5 редуктаза переносит электроны с НАДН2 на цитохром b5.

Цитохром b5. Цитозольный домен содержит гем, гидрофобный домен фиксирует фермент в мембране. Цитохром b5 может передавать свои электроны на различные ферменты (цитохром Р450,  Стеароил-КоА-десатуразу и т.д.), образуя различные ЦПЭ, при этом он участвует в десатурации и элонгации жирных кислот, в синтезе холестерина, плазминогенов и церамида.

Стеароил-КоА-десатураза – интегральный фермент, содержит негеминовое железо. Катализирует образование 1 двойной связи между 9 и 10 атомами углерода в жирных кислотах. Стеароил-КоА-десатураза переносит электроны с цитохрома b5 на 1 атом кислород, при участии протонов этот кислород образует воду. Второй атом кислорода включается стеариновую кислоту с образованием её оксиацила, который дегидрируется до олеиновой кислоты.

2. Митохондриальные монооксигеназные системы

Митохондриальные монооксигеназные системы локализованы на внутренней поверхности внутренней мембране митохондрий и катализируют высокоспецифичные реакции.

Компонентами этих систем могут быть: НАДН2-зависимые ФАД-содержащее редуктазы, Fe2S2-белки (адренодоксин), цитохромы Р450, b5, элонгазы и т.д.

Митохондриальные монооксигеназные системы:

·         в коре надпочечников, семенниках, яичниках и плаценте участвуют в синтезе стероидных гормонов из холестерина (гидроксилирование по С22 и С20 при отщеплении боковой цепи и по положениям 11β и 18);

·         в почках участвуют в синтезе 1,25-диоксихолекальциферола (Витамин Д3) из 25-гидроксихолекальциферола;

·         в печени участвуют в синтезе желчных кислот из холестерина;

·         в соединительной ткани участвуют в гидроксилировании пролина в оксипролин в молекуле коллагена (пролингидроксилазы). Донором протонов и электронов является витамин С. С оксипролином зрелый коллаген приобретает механическую прочность.

Диоксигеназные реакции

Диоксигеназы это ферменты, которые включают в субстрат оба атома молекулы кислорода:

S + О2 → SО2

Таким путем окисляются циклические трудноокисляемые структуры, реакции идут с разрывом цикла. Диоксигеназные реакции протекают на цитоплазматической поверхности гладкого ЭПР.

Гомогентизатдиоксигеназа печени, содержит Fe2+, участвует в катаболизме тирозина:

L-триптофандиоксигеназа печени, содержит гем, участвует в катаболизме триптофана:

ПЕРОКСИДАЗНЫЙ И РАДИКАЛЬНЫЙ ПУТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ КИСЛОРОДА

Кислород – потенциально опасное вещество. Молекулярный О2 является бирадикалом (˙О::О˙), но он стабилен так как, 2 неспаренных е внешней орбиты имеют параллельные спины, (подавляют радикальную активность друг друга).

Кислород в составе молекулы Н2О стабилен, потому что его внешняя электронная орбита укомплектована е(Н:О:Н). Химические соединения, в составе которых кислород имеет промежуточную степень окисления, имеют высокую реакционную способность и называются активными формами кислорода (АФК). К активным формам кислорода относятся свободные радикалы кислорода и перекиси. Свободный радикал – свободный атом или частица с неспаренным электроном.

Образование активных форм кислорода

АФК во многих клетках образуются в основном в ферментативных и неферментативных реакциях в результате последовательного присоединения  е к кислороду:

1)      О2 + 1е → О2 супероксидный анион-радикал (˙О::О:).

2)      О2 +1е → О2-2 пероксидный анион (:О::О:), он быстро протонируется с образованием перекиси водорода О2-2 + 2Н+ → Н2О2 (Н:О::О:Н)

3)      Н2О2 + 1е → НО+ ОН гидроксильный радикал, ОНпротонируется с образованием воды ОН–  + Н+ → Н2О

4)      ОН+ 1е → Н2О (Н:О:Н)

В организме донорами электронов являются:

1). ЦПЭ. Утечка электронов из ЦПЭ на кислород является основным путем образования активных форм кислорода в большинстве клеток:

a)      В цепи окислительного фосфорилирования Q принимая 1 электрон превращается  в свободный радикал семихинон НQ, который при реоксигенации ишемических тканей может непосредственно взаимодействовать с кислородом, образуя супероксидный анион-радикал: HQ· + O2 → Q+ О2 + H+;

b)      в монооксигеназных реакциях электрон с цитохрома Р450 переходит на кислород с образованием супероксидного анион-радикала, который иногда теряется с активного центра.

c)      Аэробные дегидрогназы (ФАД-зависимые оксидазы) переносят электроны и протоны с субстрата на кислород с образованием перекиси водорода. Примеры таких оксидаз — оксидазы амино­кислот, супероксид дисмутаза, оксидазы, лока­лизованные в пероксисомах.

2). Металлы переменной валентности. Наличие в клетках Fe2+ или ионов других пе­реходных металлов катализирует обра­зования гидроксильных радикалов и других активных форм кислорода. Например, в эритроцитах окисление иона железа гемоглобина спо­собствует образованию супероксидного анион-радикала.

Hb(Fe2+) + O2 → MetHb(Fe3+) + О2

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

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

3). Радикалы. Активные формы кислорода, обмениваясь электроном, легко переходят друг в друга: О2 + Н2О2 → О2 + НО+ ОН

Активные формы кислорода в организме также могут образовываться 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).

Ферментативные реакции образования АФК

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

  1. В цепи окислительного фосфорилирования Q принимая 1 епревращается  в свободный радикал семихинон НQ, который при реоксигенации ишемических тканей может непосредственно взаимодействовать с кислородом, образуя супероксидный анион-радикал: HQ· + O2 → Q+ О2 + H+;
  2. в монооксигеназных реакциях ес цитохрома Р450 переходит на кислород с образованием супероксидного анион-радикала, который иногда теряется с активного центра.
  3. Аэробные дегидрогеназы (ФАД-зависимые оксидазы) переносят еи 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+) + О2

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

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

2). Радикалы. АФК, обмениваясь электроном, легко переходят друг в друга: О2 + 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+ + 2О2 + 2Н+
  • Под действием супероксиддисмутазы (СОД) супероксидный радикал превращается в перекись водорода: 2О2 + 2H+ →  H2O2+ O2
  • Под действием миелопероксидазы H2O2, превращается в гипохлорит – соединение, разрушающее стенки бактериальных клеток: H2O2 + Cl → H2O + ClO.

Метаболический взрыв.

В условиях патологии могут произойти нарушения либо системы защитных ферментов (в частности, снижение активности СОД), либо ферментных систем, связывающих ионы железа в плазме крови (церулоплазмин и трансферрин) и в клетках (ферритин). В этом случае супероксидные радикалы и перекись водорода вступают в альтернативные реакции: Образование двухвалентного железа из трехвалентного: Fe3+ + O•- → Fe2+ + O2

Реакция перекиси водорода и гипохлорита с ионами двухвалентного железа:

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

  • Fe3+ + О2  → 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 НОвызывают 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.

Категории
Рекомендации
Подсказка
Нажмите Ctrl + F, чтобы найти фразу в тексте
Партнеры
А знаете ли вы, что нажав сочетание клавиш Ctrl+F - можно воспользоваться поиском по сайту?
X
Copyrights © 2015: FARMF.RU - тесты, лекции, обзоры
яндекс.ћетрика
Рейтинг@Mail.ru

У вас включен AdBlock!

Привет! Мы создали этот сайт с различными интересными статьями. Для нас очень важно, чтобы вы отключили AdBlock. Ведь именно за счет рекламы живет этот сайт. Огромное спасибо.

Уведомление для пользователей AdBlock

У вас включен AdBlock!

Привет! Нас зовут Дима и Аня. Мы создали этот сайт с различными интересными статьями. Для нас очень важно, чтобы вы отключили AdBlock. Ведь именно за счет рекламы живет этот сайт. Огромное спасибо.