Лекция 7. Процессы окисления в биологии

[Lux]

1. Микросомальное окисление На его долю приходится 5-10 % кислорода, поступающего в организм. АТФ во внемитохондриальном окислении никогда не образуется.
Существуют 2 типа внемитохондриального окисления.
 
 Окисление оксидазного типа Ферменты - оксидазы. По строению являются металлофлавопротеинами. Содержат металлы с переменной валентностью - железо(Fe), медь(Cu), молибден(Mo). Находятся оксидазы в пероксисомах - особых образованиях эндоплазматического ретикулюма, а также в наружной мембране митохондрий. Отнимают водород от субстрата и передают его на кислород с образованием Н₂О₂ - перекиси водорода.
Оксидаз в клетке немного, и субстратов для них тоже мало. Эти ферменты обычно обладают широкой субстратной специфичностью и невысокой активностью.
1. Моноаминоксидазы (МАО) - окисляют гормон адреналин и некоторые биогенные амины.
2. Диаминоксидазы (ДАО) - окисляют гистамин и другие диамины и полиамины.
3. Оксидаза L-аминокислот.
4. Оксидаза D-аминокислот.
Ксантиноксидаза - окисляет пуриновые азотистые основания (аденин и гуанин) с участием воды.
Биологическое значение окисления по оксидазному типу:
1) окисляются трудноокисляемые циклические вещества;
2) быстрая инактивация БАВ - биологически активных веществ;
3) образующаяся Н₂О₂ оказывает бактерицидное действие - разрушает клеточные мембраны фагоцитированных бактериальных клеток.
Окисление оксигеназного типа
Происходит на мембранах эндоплазматического ретикулума и во внутренней мембране митохондрий.
Ферменты - оксигеназы. Они активируют молекулу кислорода, а затем внедряют один или два атома кислорода в молекулу окисляемого вещества.
Оксигеназы, включающие один атом кислорода в окисляемое вещество, называются монооксигеназами (гидроксилазами).
Оксигеназы, включающие два атома кислорода в окисляемое вещество, называются диаксигеназами.
Оксигеназы работают в составе мультиферментного комплекса, встроенного в мембрану.
Мультиферментный комплекс состоит из 3-х компонентов.
1. Флавиновые дегидрогеназы. Содержат ФАД. Наиболее обычный субстрат для них - НАДФН₂.
2. Железо-серный белок. Содержит негеминовое железо с переменной валентностью.
3. Цитохром Р₄₅₀. Его строение отличается от строения цитохромов цепи митоходриального окисления.
Мультиферментный комплекс формирует цепь переноса электронов и протонов, в конце ее происходит активация кислорода. Активированный кислород присоединяется к активному центру цитохрома Р₄₅₀, и на него переносятся электроны, а затем этот кислород включается в молекулу субстрата.
Примеры реакций оксигеназного типа окисления.
Монооксигеназы (гидроксилазы) включают в окисляемое вещество один атом кислорода из молекулы О₂, а другой атом кислорода соединяется с двумя атомами водорода, отнятыми у какого-либо восстановителя (обычно - НАДФН₂, реже - у других: например, у витамина "С"). Источник водорода - НАДФН₂.
Аскорбиновая кислота (витамин "С"), как восстановитель, участвует в работе пролингидроксилазы; этот фермент включает гидроксильные группы в аминокислотные остатки пролина в молекуле проколлагена. Поэтому зрелый коллаген приобретает большую механическую прочность. При недостатке (дефиците) витамина "С" в организме эти реакции протекают медленнее - соединительная ткань становится менее прочной.
Высокоспецифичные гидроксилазы, включающие ОН-группу в молекулу холестерина, принимают участие в образовании стероидных гормонов (половых, коры надпочечников) - эти реакции идут во внутренней мембране митохондрий.
Малоспецифичные гидроксилазы. Наиболее часто окисляют циклические гидрофобные вещества, чужеродные для организма - ксенобиотики (лекарственные препараты; компоненты растений; вещества, которыми загрязнена окружающая среда). Биологический смысл этих реакций: гидроксилирование ксенобиотика делает его более растворимым, ускоряется его выведение из организма - многие из этих реакций протекают в печени (детоксикация).
Диоксигеназы включают оба атома молекулы кислорода в окисляемое вещество. Таким путем окисляются циклические трудноокисляемые структуры, реакции идут с разрывом цикла.
 
 Активные формы кислорода Кислород - потенциально опасное вещество. Молекулярный кислород О₂ и кислород в составе молекулы Н₂О - стабильные соединения, химически инертные. Они стабильны, потому что внешняя электронная орбита укомплектована электронами. Полное восстановление кислорода происходит на заключительной стадии МтО. Химические соединения, в составе которых кислород имеет промежуточную степень окисления, имеют высокую реакционную способность и называются активными формами кислорода.
Эти соединения образуются:
а) в монооксигеназных реакциях - супероксид-анион, который может отщепляться от активного центра цитохрома Р₄₅₀;
б) в оксидазных реакциях - образуется пероксидный анион (присоединяя протоны, превращается в перекись водорода);
в) в дыхательной цепи МтО может происходить утечка электронов от каких-либо переносчиков - это явление наблюдается при реоксигенации ишемических тканей;
г) активные формы кислорода могут легко переходить друг в друга. Примеры таких переходов изображены на рисунках.
Донорами электронов могут являться металлы переменной валентности.
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.
Супероксиданион и перекись водорода - более стабильные вещества, могут диффундировать от места образования, проникать через мембраны клеток.
Гидроксильный радикал может вызывать неферментативное окисление аминокислотных остатков в белке (гистидина, цистеина, триптофана) - так могут инактивироваться многие ферменты, нарушается работа транспортных белков, происходит нарушение структуры азотистых оснований в нуклеиновых кислотах - страдает генетический аппарат клеток. Окисляются жирные кислоты в составе липидов клеточных мембран - нарушаются физико-химические свойства мембран - проницаемость, рецепторная функция, работа мембранных белков.
Особенностью реакций с участием гидроксильных радикалов является их цепной характер (гидроксильный радикал не исчезает, а передается).
Активные формы кислорода опасны для клетки, поэтому существуют защитные механизмы (например, в фагоцитах количество образовавшейся перекиси водорода увеличивается только в момент фагоцитоза). Инактивация активных форм кислорода в клетках происходит под действием антиоксидантной системы.
 
 2. Антиоксидантная система Ферментативная 1. Каталаза - геминовый фермент, содержащий Fe³⁺, катализирует реакцию разрушения перекиси водорода. При этом образуется вода и молекулярный кислород: 2Н₂О₂ ---> H₂O + O_2.
Каталазы много в эритроцитах - там она защищает гем гемоглобина от окисления.
2. Супероксиддисмутаза (СОД) катализирует реакцию обезвреживания двух молекул супероксиданиона, превращая одну из них в молекулярный кислород, а другую - в перекись водорода (менее сильный окислитель, чем супероксиданион): О₂^. + О₂^.+ 2Н⁺ ---> H₂O₂ + O_2.
СОД работает в паре с каталазой и содержится во всех тканях.
3. Пероксидаза - геминовый фермент, восстанавливает перекись водорода до воды, но при этом обязательно идет окисление другого вещества, которое является восстановителем. В организме человека таким веществом является глутатион - трипептид: гамма-глутамил-цистеил-глицин. Поэтому пероксидазу человеческого организма называют глутатионпероксидаза.
SH-группа цистеина, входящего в состав глутатиона, может отдавать всего 1 атом водорода, а для пероксидазной реакции необходимы 2 атома. Поэтому молекулы глутатиона работают парами.
Реакция, катализируемая глутатионпероксидазой: 2Н₂О₂ + 2Г-SH ---> H₂O + Г-S-S-Г.
Регенерация глутатиона идет с участием НАДФН₂, катализирует ее фермент глутатионредуктаза.
Г-S-S-Г + НАДФН₂ ----> 2Г-SH + НАДФ.
Глутатион постоянно поддерживается в восстановленном состоянии в эритроцитах, где он служит для защиты гема гемоглобина от окисления.
Неферментативные компоненты антиоксидантной системы.
1. Витамины Е (токоферол) и А (ретинол), которые находятся в составе клеточных мембран.
2. Церулоплазмин - белок плазмы крови, который принимает участие в транспорте меди.
3. Мочевая кислота.
Механизм действия этих компонентов: они принимают неспаренные электроны от активных форм кислорода, при этом образуется радикал антиоксиданта, который малоактивен. Таким образом неферментативные компоненты антиоксидантной системы - это перехватчики неспаренных электронов.