Все реакции с участием кислорода, протекающие в живом организме, называются биологическим окислением. Почти во всех клетках около 90 % потребляемого кислорода восстанавливается в цепи тканевого дыхания с участием цитохромоксидазы (окисление, сопряженное с фосфорилированием АТФ, выполняет энергетическую функцию). Однако в некоторых тканях содержатся ферменты, катализирующие окислительно-восстановительные реакции, в которых атомы кислорода включаются непосредственно в молекулу субстрата (свободное окисление, выполняет пластическую функцию). Хотя в таких специализированных реакциях потребляется лишь небольшая часть кислорода, поглощаемого клетками, эти реакции очень важны для организма.
Выделяют четыре типа реакций с участием кислорода (табл 11.1.).
Таблица 11.1. Типы окисления
| Тип окисления | Ферменты | Основные продукты реакции |
| оксидазный | Оксидазы | S + Н 2 О |
| пероксидазный | ФАД-зависимые оксидазы | S + Н 2 О 2 |
| диоксигеназный | Диоксигеназы | SO 2 |
| монооксигеназный | Монооксигеназы (гидроксилазы) | SOH + H 2 O |
Оксидазный тип окисления
Этот путь окисления осуществляется в процессе функционирования ЦТД. Терминальный фермент ЦТД, переносящий электроны непосредственно на кислород – цитохромоксидаза. Это основной путь потребления кислорода в организме. Он выполняет энергетическую функцию.
Пероксидазный тип окисления
Окисление субстрата путем дегидрирования. Два атома водорода переносятся на молекулу кислорода с образованием перекиси:
ФАД-зависимая оксидаза
SН 2 + О 2 → S + Н 2 О 2
В этой реакции энергия окисления выделяется в виде тепла. Реакции этого типа катализируют ФАД-зависимые оксидазы (аэробные дегидрогеназы), содержащие в качестве простетической группы ФАД или ФМН. В клетке около 80 % этих ферментов сосредоточено в пероксисомах. Пероксидазный путь окисления активно протекает в лейкоцитах, макрофагах и других фагоцитирующих клетках. Образующийся пероксид водорода Н2О2 – сильный окислитель, обезвреживающий патогенные бактерии (защитная функция).
Реакция пероксидазного окисления протекает в 2 стадии:
1. Анаэробная - происходит дегидрирование восстановленного субстрата SH2, при этом протоны и электроны переносятся на ФАД (ФАД + 2Н+ → ФАДН2).
2. Аэробная - происходит окисление фермента (ФАДН2 → ФАД) кислородом (самопроизвольный процесс).
Биологическая роль оксидазного типа окисления:
1. защитная функция – в лейкоцитах и других фагоцитирующих клетках;
2. катаболизм биогенных аминов (фермент – моноаминооксидаза);
3. метаболизм аминокислот (ферменты – оксидазы D- и L-аминокислот);
4. катаболизм пуринов (фермент – ксантиноксидаза);
5. катаболизм глюкозы в растительных клетках (фермент – глюкозооксидаза).
Диоксигеназный тип окисления
В процессе диоксигеназного окисления в молекулу субстрата включаются оба атома кислорода:
Диоксигеназа
S + O 2 → SO 2
Диоксигеназы катализируют разрыв двойной связи в ароматическом кольце. Например: гомогентизатоксидаза катализирует расщепление ароматического кольца гомогентизиновой кислоты с образованием малеилацетоацетата.
Монооксигеназный тип окисления
Монооксигеназы (гидроксилазы) катализируют включение в субстрат одного атома молекулы кислорода. Другой атом кислорода восстанавливается до воды. Для работы монооксигеназной системы необходим кроме неполярного субстрата (SH) донор атомов водорода – косубстрат (НАДФН+Н+, ФАДН2, аскорбиновая кислота):
Гидроксил
SH + НАДФН+Н + + О 2 → SОН + НАДФ + + Н 2 О
Монооксигеназные реакции необходимы для:
1. специфических превращений аминокислот, например, для синтеза тирозина из фенилаланина (фермент – фенилаланингидроксилаза);
2. синтеза холестерола, желчных кислот в печени; стероидных гормонов в коре надпочечников, яичниках, плаценте, семенниках; витамина D3 в почках;
3. обезвреживания чужеродных веществ (ксенобиотиков) в печени.
Ферменты монооксигеназного пути окисления локализованы в мембранах эндоплазматического ретикулума (при гомогенизации тканей эти мембраны превращаются в микросомы – мембранные пузырьки). Поэтому монооксигеназный путь окисления называют микросомальным окислением.
Микросомальное окисление представляет короткую электронтранспортную цепь, включающую НАДФ, ФАД, ФМН, цитохром Р450.
Микросомальная система включает два фермента: цитохром Р450 и НАДФН-цитохром-Р450-редуктазу.
НАДФН-цитохром Р450 – редуктаза – флавопротеин, в качестве простетической группы содержит два кофермента ФАД и ФМН.
Цитохром Р450 – гемопротеин, содержит простетическую группу гем и участки связывания для кислорода и субстрата. Восстановленный цитохром Р450 имеет максимум поглощения при 450 нм. Выполняет две функции: связывание окисляемого субстрата и активация молекулярного кислорода.
Рис. 11.1. Схема микросомального окисления
Микросомальное окисление протекает в несколько этапов:
1. связывание в активном центре цитохрома Р450 субстрата RН;
2. присоединение первого электрона и восстановление железа в геме до Fe2+; изменение валентности железа увеличивает сродство комплекса Р450 – Fe2+∙ RH к молекуле кислорода; присоединение второго электрона к молекуле кислорода и образование неустойчивого пероксикомплекса Р450–Fe2+∙ О2-∙ RH;
3. Fe2+ окисляется, при этом электрон присоединяется к молекуле кислорода; восстановленный атом кислорода (О2-) связывает два протона (донор протонов – НАДФН+Н+) и образуется 1 молекула воды; второй атом кислорода участвует в гидроксилировании субстрата RH; гидроксилированный субстрат ROH отделяется от фермента.
В результате гидроксилирования гидрофобный субстрат становится более полярным, повышается его растворимость и возможность выведения из организма с мочой. Так окисляются многие ксенобиотики, лекарственные вещества.
В редких случаях в результате гидроксилирования токсичность соединения увеличивается. Например, при окислении нетоксичного бензпирена (содержится в табачном дыму, копченостях) образуется токсичный оксибензпирен, который является сильным концерогеном, индуцирующим злокачественное перерождение клеток.
В митохондриях содержится монооксигеназная система, которая выполняет биосинтетическую функцию: синтез холестерола; стероидных гормонов (кора надпочечников, яичники, плацента, семенники); желчных кислот (печень); образование витамина D3 (почки).
Активные формы кислорода (свободные радикалы)
В организме в результате окислительно-восстановительных реакций постоянно происходит генерация активных форм кислорода (АФК) при одноэлектронном восстановлении кислорода (молекула имеет неспаренный электрон на молекулярной или внешней атомной орбите).
Источники АФК:
1. цепь тканевого дыхания (утечка электронов с восстановленного убихинона KoQH2 на кислород);
2. реакции, катализируемые оксидазами, гемопротеинами, цитохромом Р450;
3. реакции окисления в лейкоцитах, макрофагах и пероксисомах;
4. радиолиз воды;
5. под воздействием ксенобиотиков, пестицидов;
6. реакции самопроизвольного (неферментативного) окисления ряда веществ.
Супероксид-анион – является одним из наиболее широко распространенных в организме свободных радикалов:
Он образуется в клетках болезнетворных бактерий и является повреждающим фактором для мембран клеток паренхиматозных органов человеческого организма. Для лейкоцитов и макрофагов супероксид-анион является фактором бактерицидности, с помощью которого клетки инактивируют патогенные микроорганизмы.
Другой путь образования свободных радикалов – взаимодействие кислорода с металлами переменной валентности. При этом образуется пероксидный радикал:
Fe 2+ + O 2 + H + → Fe 3+ + •HO 2
•O 2 - + Н + → •HO 2
Взаимодействие супероксиданиона с пероксидным радикалом (1) или одноэлектронное восстановление супероксид-аниона (2) в водной среде приводят к образованию пероксида водорода
•O 2 - + •НО 2 + Н + → Н 2 О 2 + О 2 (1)
•О 2 - + е - + 2Н + → Н 2 О 2 (2)
Гидроксильный радикал ОН образуется при взаимодействии пероксида водорода с супероксид-анионом (1) либо с металлами (2):
Н 2 О 2 + •О 2 - → •ОН + ОН - + О 2 (1)
Н 2 О 2 + Fe 2+ → •ОН + ОН - + Fe 3+ (2)
Кислородные радикалы обладают высокой реакционной способностью и легко вступают в химические реакции с органическими молекулами для приобретения недостающего электрона. Кислородные радикалы оказывают воздействие на различные структурные компоненты клеток: ДНК (повреждение азотистых оснований); белки (окисление аминокислотных остатков, образование ковалентных «сшивок»); липиды; мембранные структуры.
Активные формы кислорода могут отщеплять электроны от многих соединений, превращая их в новые свободные радикалы, и инициируют тем самым цепные окислительные реакции. Если в реакцию с АФК вступают ненасыщенные жирные кислоты плазматических мембран, говорят о перекисном окислении липидов.
Перекисное окисление липидов (ПОЛ)
Реакции ПОЛ являются свободнорадикальными и постоянно протекают в организме, также как и реакции образования АФК.
В норме они поддерживаются на определенном уровне и выполняют ряд функций:
1. индуцируют апоптоз (запрограммированную гибель клеток);
2. регулируют структуру клеточных мембран и тем самым обеспечивают функционирование ионных каналов, рецепторов, ферментных систем;
3. обеспечивают освобождение из мембраны арахидоновой кислоты, из которой синтезируются биорегуляторы (простагландины, тромбоксаны, лейкотриены);
4. ПОЛ может выступать в качестве вторичного мессенджера, участвуя в трансформации сигналов из внешней и внутренней среды организма, обеспечивая их внутриклеточную передачу;
5. АФК участвуют в клеточном иммунитете и фагоцитозе.
Механизм ПОЛ:
1. Инициация. Инициирует реакцию чаще всего гидроксильный радикал, отнимающий водород от СН2- групп ненасыщенной жирной кислоты L, что приводит к образованию липидного радикала L•:
L + •OН → L•
2. Развитие цепи. Развитие цепи происходит при присоединении кислорода, в результате чего образуется пероксидный радикал LOO• или пероксид липида LOOH (гидроперекиси липидов)
L• + O 2 → LOO•
LOО• + LH → LOOH + LR∙•
3. Обрыв цепи. Развитие цепи может останавливаться при взаимодействии свободных радикалов между собой или при взаимодействии с различными антиоксидантами (витамином Е), которые являются донорами электронов:
LOO•∙ + L• → LOOH + LH
L∙•+ Витамин Е → LH + Витамин Е•∙
ВитаминТ Е• + L• → LH + Витамин Е окисл
В результате ПОЛ происходит преобразование обычных липидов в первичные продукты ПОЛ (гидроперекиси липидов). Это приводит к появлению в мембранах участков («дыр»), через которые наружу выходит содержимое как самих клеток, так и их органелл.
Первичные продукты ПОЛ разрушаются с образованием вторичных продуктов ПОЛ: альдегидов, кетонов, малонового диальдегида, диеновых коньюгатов. Накоплением в крови малонового диальдегида (МДА) объясняется синдром интоксикации, сопровождающий многие заболевания внутренних органов. Реагируя с SH- и СН3-группами белков, МДА подавляет активность цитохром-оксидаз (угнетая тем самым тканевое дыхание) и гидроксилаз. МДА обуславливает также ускоренное развитие атеросклероза.
При взаимодействии МДА с аминогруппами фосфолипидов образуются конечные продукты ПОЛ – Шиффовы основания. Примером этих соединений является пигмент липофусцин, появляющийся на оболочке глаза, на коже с возрастом. Липофусцин представляет собой смесь липидов и белков, связанных между собой поперечными ковалентными связями и денатурированными в результате взаимодействия с химически активными группами продуктов ПОЛ. Этот пигмент фагоцитируется, но не гидролизуется ферментами лизосом, накапливается в клетках, нарушая их функцию.
Негативные последствия активации ПОЛ:
1. Повреждение липидного бислоя мембран, в результате чего в клетки проникает вода, ионы натрия, кальция, что приводит к набуханию клеток, органелл и их разрушению.
2. Преждевременное старение клеток и организма в целом.
3. Взаимодействие высокореактивных продуктов ПОЛ с аминогруппами белков с образованием Шиффовых оснований.
4. Изменение текучести (вязкости) мембран, в результате чего нарушается транспортная функция мембран (функционирование ионных каналов).
5. Нарушение активности мембраносвязанных ферментов, рецепторов.
Активация ПОЛ характерна для многих заболеваний и патологических состояний:
1. атеросклероз и другие сердечнососудистого заболевания;
2. поражения ЦНС (болезнь Паркинсона, Альцгеймера);
3. воспалительные процессы любого генеза;
4. дистрофия мышц (болезнь Дюшенна);
5. онкологические заболевания;
6. радиационные поражения;
7. бронхолегочные патологии.
Антиоксидантные системы организма
В организме токсическое действие активных форм кислорода предотвращается за счет функционирования систем антиоксидантной защиты. В норме сохраняется равновесие между окислительными (прооксидантными) и антиоксидантными системами. Антиоксидантная система защиты представлена ферментными и неферментативными компонентами.
Ферменты антиоксидантной системы:
1. супероксиддисмутаза,
2. каталаза,
3. пероксидаза (глутатионпероксидаза),
4. глутатионредуктаза.
Наиболее активны эти ферменты в печени, почках и надпочечниках.
Супероксиддисмутаза превращает супероксидные анионы в пероксид водорода:
2•О 2 - + 2Н + → Н 2 О 2 + О 2
Супероксидисмутаза является мощным ингибитором свободнорадикального окисления в организме, защищающим биополимеры (белки, нуклеиновые кислоты и др.) от окислительной деструкции. Супероксидисмутаза – индуцируемый фермент, т.е. синтез его увеличивается, если в клетках активируется ПОЛ.
Каталаза является гемопротеином и катализирует реакцию разложения пероксида водорода:
2Н 2 О 2 → 2Н 2 О + О 2
В клетках каталаза локализована в пероксисомах, где образуется наибольшее количество пероксида водорода, а также в лейкоцитах, где она защищает клетки от последствий «респираторного взрыва».
Глутатионпероксидаза – важнейший фермент, обеспечивающий инактивацию пероксида водорода и пероксидных радикалов. Он катализирует восстановление пероксидов при участии трипептида глутатиона. SH-группа глутатиона служит донором электронов и, окисляясь образует дисульфидную форму глутатиона:
Н 2 О 2 + 2НS-глутатион → 2Н 2 О + глутатион-S-S-глутатион
Окисленный глутатион восстанавливается глутатионредуктазой:
глутатион-S-S-глутатион + НАДФН+Н + → 2HS-глутатион + НАДФ +
Глутатионпероксидаза в качестве кофермента использует селен. При его недостатке активность антиоксидантной защиты снижается.
Неферментативные антиоксиданты:
1. Природные водорастворимые антиоксиданты (витамин С; карнозин; таурин; восстановленные тиолы, содержащие SH-группы; цистеин; НS-КоА; белки, содержащие селен). Витамин С участвует в ингибировании ПОЛ с помощью двух механизмов. Во-первых, он восстанавливает окисленную форму витамина Е и поддерживает необходимую концентрацию этого антиоксиданта в мембранах клеток. Во-вторых, витамин С взаимодействует как восстановитель с водорастворимыми активными формами кислорода и инактивирует их.
2. Липофильные низкомолекулярные антиоксиданты, локализованные в мембранах клеток (витамин Е; β-каротин; КоQ; нафтахоиноны). Витамин Е – наиболее распространенный антиоксидант в природе, способен инактивировать свободные радикалы непосредственно в гидрофобном слое мембран и тем самым предотвращать развитие цепи перекисного окисления. b-каротин, предшественник витамина А, также ингибирует ПОЛ. Уменьшение содержания этого антиоксиданта в тканях приводит к тому, что продукты ПОЛ начинают производить вместо физиологического патологический эффект.
Растительная диета, обогащенная витаминами Е, С, каротиноидами, уменьшает риск развития атеросклероза и заболеваний сердечно-сосудистой системы, обладает антиканцерогенным действием. Действие этих витаминов связано с ингибированием ПОЛ и кислородных радикалов и, следовательно, с поддержанием нормальной структуры компонентов клеток.