ОКИСЛЕНИЕ БИОЛОГИЧЕСКОЕ — Большая Медицинская Энциклопедия

Биологическое окисление

Указанное выше уравнение для окислительно-восстановительной реакции представляет собой обобщенную форму, так как изображает процесс окисления субстратов как прямое дегидрирование, причем кислород выступает в роли непосредственного акцептора водорода. На самом деле кислород участвует в транспорте электронов иным образом. Существуют промежуточные переносчики при транспорте электронов от исходного донора электронов SH₂ к терминальному акцептору – О₂. Полный процесс представляет собой цепь последовательных окислительно-восстановительных реакций, в ходе которых происходит взаимодействие между переносчиками. Каждый промежуточный переносчик вначале выступает в роли акцептора электронов и протонов и из окисленного состояния переходит в восстановленную форму. Затем он передает электрон следующему переносчику и снова возвращается в окисленное состояние. На последней стадии переносчик передает электроны кислороду, который затем восстанавливается до воды. Совокупность последовательных окислительно-восстановительных реакций называется цепью переноса (транспорта) электронов, или дыхательной цепью:

Перенос электронов и протонов с участием промежуточных переносчиков. SH₂ – исходный донор протонов и электронов; P – промежуточные переносчики; E1, E2, E3, E4 – ферменты окислительно-восстановительных реакций

Промежуточными переносчиками в дыхательной цепи у высших организмов являются коферменты: NAD (никотинамид-адениндинуклеотид), FAD и FMN (флавинадениндинуклеотид и флавинмононуклеотид), кофермент Q (CoQ), семейство гемсодержащих белков – цитохромов (обозначаемых как цитохромы b, С₁, С, А, А₃) и белки, содержащие негеминовое железо. Все участники этой цепи разделены на четыре окислительно-восстановительные системы, связанные убихиноном (CoQ) и цитохромом С. Процесс начинается с переноса протонов и электронов от окисляемого субстрата на коферменты NAD или FAD. Это определяется тем, является ли дегидрогеназа, катализирующая первую стадию, NAD – зависимой или FAD – зависимой. Если процесс начинается с NAD , то следующим переносчиком будет FMN.

Последовательность промежуточных переносчиков протонов и электронов в дыхательной цепи

Тип участвующей дегидрогеназы зависит от природы субстрата. Но каким бы ни был исходный субстрат, электроны и протоны от флавинов переносятся к коферменту Q, а дальше пути электронов и протонов расходятся. Электроны с помощью системы цитохромов достигают кислорода, который затем, присоединяя протоны, превращается в воду. Чтобы разобраться в системе транспорта электронов, необходимо познакомиться с отдельными ее участниками. NAD – зависимая дегидрогеназа катализирует реакции окисления непосредственно субстрата (первичная дегидрогеназа). NAD является коферментом и выполняет роль акцептора водорода:

Коферменты дегидрогеназ

Символ 2Н означает два электрона и два протона, обычно переносимые в виде гидрид иона. В этом случае вместо терминов «донор электронов» и «акцептор электронов» иногда используют термины «донор или акцептор водорода». FAD – зависимая дегидрогеназа также выполняет функцию первичной дегидрогеназы. Коферментом является FAD, который является акцептором водорода от субстрата. NADH – дегидрогеназа катализирует окисление NADH и восстановление убихинона (CoQ). Переносчиком водорода является кофермент – FMN (комплекс 1). В процессе реакции водород сначала присоединяется к FMN, соединенному с ферментом, а затем передается на убихинон. Флавиновые коферменты (FAD и FMN) прочно связаны с ферментом как простетические группы, поэтому ферменты, в состав которых они входят, называются флавопротеины. Флавинмононуклеотид (FMN), или рибофлавин фосфат, неразрывно связан с белковой частью фермента. Строго говоря, FMN не является нуклеотидом, так как флавиновая часть связана с рибитолом, а не с рибозой.

Убихинон (кофермент Q) – производное изопрена:

Название «убихинон» возникло из-за его повсеместной распространенности в природе. Кофермент Q действует как переносчик электронов на цитохромы.

Цитохромы – это гемопротеины – белки, содержащие в качестве прочно связанной простетической группы гем:

Простетическая группа гема в структуре цитохромов

Атом железа в геме может менять валентность, присоединяя или отдавая электроны.В дыхательной цепи цитохромы служат переносчиками электронов и располагаются соответственно величине окислительно-восстановительного потенциала следующим образом: B, С₁, С, а, а₃. Гемовые группы цитохромов связаны с белковой частью донорно-акцепторными связями между ионом железа и соответствующими аминокислотными остатками:

Связывание гема с белковой частью цитохрома С

В цитохромах С и С₁ дополнительные ковалентные связи формируются между тиогруппами цистеина и боковыми винильными группами гема. QН₂-дегидрогеназа (комплекс III) представляет собой комплекс цитохромов b и С₁. Этот фермент катализирует окисление восстановленного кофермента Q и перенос электронов на цитохром С. Электроны последовательно переносятся атомами железа цитохромов b и С₁, а затем поступают на цитохром С. Протоны после окисления QH₂ освобождаются в раствор.

Цитохромоксидаза включает комплекс цитохромов а и а₃ (комплекс IV). Цитохромоксидаза кроме гема содержит ионы меди, которые способны менять валентность и таким способом участвовать в переносе электронов.

Цитохромоксидаза переносит электроны с цитохрома С на кислород. В переносе электронов участвуют сначала ионы железа цитохромов а и а₃, а затем ион меди цитохрома а₃. Молекула кислорода связывается с железом в геме цитохрома а₃. Следовательно, переход электронов на кислород с иона меди цитохрома а₃, происходит на молекуле фермента. Каждый из атомов молекулы кислорода присоединяет по два электрона и протона, образуя при этом молекулу воды.

Белки, содержащие негеминовое железо. Некоторое количество атомов железа в митохондриях связано не в геме цитохромов, а образует комплексы с другими белками. Эти белки называют также железосерными, так как атомы железа связаны с атомами серы цистеиновых остатков. Белки, содержащие негеминовое железо, участвуют в переносе электронов на нескольких стадиях, однако, не совсем ясны их локализация и механизм действия.

Биологическое окисление. Синтез АТФ

Во внутренней мембране митохондрий расположен интегральный белковый комплекс – Н -зависимая АТФ-синтаза seu Н -зависимая АТФ-аза (два разных названия связаны с полной обратимостью катализируемой реакции), обладающий значительной молекулярной массой – более, чем 500кДа. Состоит из двух субъединиц: FO и F1.

F1 представляет из себя грибовидный вырост на матриксной поверхности внутренней митохондриальной мембраны, FO же пронизывает эту мембрану насквозь. В толще FO расположен протонный канал, позволяющий протонам возвращаться обратно в матрикс по градиенту их концентраций.

F1 способна связывать АДФ и фосфат на своей поверхности с образованием АТФ – без затраты энергии, но обязательно в комплексе с ферментом. Энергия необходима лишь для освобождения АТФ из этого комплекса. Эта энергия выделяется в результате тока протонов через протонный канал FO.

В дыхательной цепи сопряжение абсолютно: ни одно вещество не может окисляться без восстановления другого вещества.

Но при синтезе АТФ сопряжение одностороннее: окисление может идти без фосфорилирования, а фосфорилирование без окисления никогда не идёт. Это означает, что система МтО может работать без синтеза АТФ, но АТФ не может быть синтезирована, если не работает система МтО.

Биологическое окисление.  Сопряжение работы дыхательной цепи с процессом синтеза АТФ

Существование такого сопряжения доказывается тем, что можно ингибировать образование АТФ, не нарушая процесса транспорта электронов. Это достигается добавлением химических веществ, названных разобщителями. После удаления разобщителей синтез АТФ восстанавливается.

Существует несколько гипотез, объясняющих механизм сопряжения. Одной из них является хемоосмотическая теория. Цепь транспорта электронов функционирует как протонная (Н )помпа, осуществляя перенос протонов из матрикса через внутреннюю мембрану в межмембранное пространство. Эндоэргический процесс выброса протонов из матрикса возможен за счет экзоэргических окислительно-восстановительных реакций дыхательной цепи. Перенос протонов приводит к возникновению разности концентрации Н с двух сторон митохондриальной мембраны: более высокая концентрация будет снаружи и более низкая – внутри. Митохондрия в результате переходит в «энергизованное» состояние, так как возникает градиент концентрации Н и одновременно разность электрических потенциалов со знаком плюс на наружной поверхности.

Электрохимический потенциал способен совершать «полезную» работу, он заставляет протоны двигаться в обратном направлении, но мембрана непроницаема для них кроме отдельных участков, называемых протонными каналами. Обратный перенос протонов в матрикс является экзоэргическим процессом, высвобождающаяся при этом энергия используется на фосфорилирование ADP. Эту реакцию катализирует фермент Н -АТФ-синтетаза, располагающаяся в области протонных каналов на внутренней поверхности внутренней мембраны.

С опряжение цепи транспорта электронов и фосфорилирования ADP посредством протонного градиента

С труктура компонентов комплекса I, обеспечивающего функционирование «протонной помпы» при окислении NADH

Биологическое окисление. ОСНОВНЫЕ ПРОЦЕССЫ, ДЛЯ КОТОРЫХ ИСПОЛЬЗУЕТСЯ ЭНЕРГИЯ АТФ:

1. Синтез различных веществ.

2. Активный транспорт (транспорт веществ через мембрану против градиента их концентраций). 30% от общего количества расходуемого АТФ приходится на Na ,К -АТФазу.

3. Механическое движение (мышечная работа).

Биологическое окисление. Цикл Кребса

Цикл Кребса – цикл трикарбоновых кислот (ЦТК) является процессом окисления АцетилКоА – универсального продукта катаболизма углеводов, жиров и белков. Цикл Кребса протекает в митохондриях с участием 8 ферментов, которые локализованы в матриксе в свободном состоянии, или на внутренней поверхности внутренней мембраны. В Цикле Кребса участвуют 5 витаминов В₁, В₂, РР, пантотеновая кислота и липоевая кислота в виде коферментов тиаминпирофосфата, ФАД, НАД , КоА и липоата.

Основной функции Цикла Кребса является образование водородных эквивалентов, которые в цепи окислительного фосфорилирования обеспечивают синтез макроэргических соединений.

Кроме того, ЦТК выполняет ведущую роль в процессах глюконеогенеза, переаминирования, дезаминирования АК, липогенеза и синтеза гема. Интегрирует все виды обмена веществ.

Регуляция Цикла Кребса. Осуществляется с участием 4 регуляторных ферментов: цитратсинтазы, изоцитрат ДГ, α-КГ ДГ и СДГ. Цикл Кребса ингибируется в основном НАДН₂ и АТФ, которые являются продуктами ЦТК и цепи окислительного фосфорилирования. Активируют цикл Кребса в основном НАД и АДФ.

Биологическое окисление. Реакции цикла Кребса

1). Цитратсинтаза локализуется в матриксе митохондрий, ее активируют ЩУК, НАД ; ингибируют АТФ, НАДН₂, Сукцинил-КоА, цитрат.

2). Аконитаза локализуется в матриксе митохондрий.

3). Окислительно-восстановительная реакция, самая медленная в ЦТК.

Изоцитратдегидрогеназа локализуется в матриксе митохондрий, ее активируют АМФ, Са² , АДФ, НАД ; ингибируют АТФ, НАДН₂.

4). Окислительно-восстановительная реакция.

α-кетоглутаратдегидрогеназный комплекс состоит из 3 ферментов и содержит 5 коферментов: тиаминдифосфат, кофермент А, липоевая кислота, НАД , ФАД.

α-КГ ДГ активируется Са² , ингибируется сукцинил-КоА, АТФ, НАДН₂.

5). Реакция субстратного фосфорилирования

6). Окислительно-восстановительная реакция.

Сукцинатдегидрогеназа, флавопротеин содержащий Fe₂S₂, связана с внутренней мембраной митохондрии. СДГ ингибирует ЩУК и Сукцинил-КоА,

7). Фумараза локализуется в матриксе митохондрий.

8). Окислительно-восстановительная реакция.

Малат ДГ локализуется в матриксе митохондрий.

Образовавшиеся молекулы ЩУК реагируют  с новой молекулой  Ацетил-КоА и цикл повторяется вновь.

Биологическое окисление. Энергетический баланс одного оборота ЦТК

В 4 окислительно-восстановительных реакциях ЦТК образуются 3 НАДН₂ и 1 ФАДН₂, которые направляются далее в дыхательную цепь окислительного фосфорилирования. В процессе окислительного фосфорилирования ДЦ из 1 НАДН₂ образуется 3 АТФ, из 1 ФАДН₂ – 2 АТФ. Из 1 ГТФ, образующейся в ЦТК за счет субстратного фосфорилирования, синтезируется 1 АТФ. Таким образом, за 1 цикл ЦТК из 3 НАДН₂, 1 ФАДН₂ и 1 ГТФ получается 12 АТФ.

Биологическое окисление. ЦИКЛ ТРИКАРБОНОВЫХ КИСЛОТ (ЦТК,  лимоннокислый цикл, цикл Кребса)

ЦТК, как и реакции митохондриального окисления, протекает в митохондриях.  Представляет собой серию реакций, замкнутых в цикл.

Образовавшиеся молекулы ЩУК реагируют с новой молекулой Ацетил-КоА и цикл повторяется вновь от образования цитрата до его превращения в ЩУК.

В реакциях этого цикла участвуют четыре из девяти субстратов МтО.

Происходит серия дегидрогеназных реакций. Из них 3-я, 4-я и 8-я происходят с участием НАД-зависимых дегидрогеназ, и каждая из этих реакций позволяет получить 3 молекулы АТФ. На 6-й стадии происходит ФАД-зависимая дегидрогеназная реакция, которая сопряжена с образованием 2-х молекул АТФ (Р/О = 2).

На 5-й стадии 1 молекула АТФ образуется путем субстратного фосфорилирования.

Итого за 1 оборот ЦТК образуется 12 молекул АТФ.

Смысл ЦТК заключается в том, чтобы остатки уксусной кислоты расщепились с образованием большого количества АТФ. Кроме того, из ацетатных остатков образуется СО2 и Н2О, как конечные продукты обмена веществ.

СО2 образуется в ходе ЦТК дважды:

1. на третьей стадии (окисление изоцитрата)

2. на четвертой стадии (окисление альфа-кетоглутарата).

Если прибавить еще 1 молекулу СО2, которая образуется до начала ЦТК  – при  превращении ПВК в Ацетил-КоА, то можно говорить о трех молекулах СО2,  образующихся при распаде ПВК. Суммарно эти молекулы, образующиеся при распаде ПВК, составляют до 90% углекислоты, которая  выводится  из  организма.

ИТОГОВОЕ УРАВНЕНИЕ ЦТК

БИОЛОГИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ ЦТК

ГЛАВНАЯ РОЛЬ ЦТК – ОБРАЗОВАНИЕ БОЛЬШОГО КОЛИЧЕСТВА АТФ.

1. ЦТК – главный источник АТФ. Энергию для образования большого количества АТФ дает полный распад Ацетил-КоА до СО2 и Н2О.

2. ЦТК – это универсальный терминальный этап катаболизма веществ всех классов.

3. ЦТК играет важную роль в процессах анаболизма (промежуточные продукты ЦТК):

• – из цитрата → синтез жирных кислот
• – из aльфа-кетоглутарата и ЩУК → синтез аминокислот
• – из ЩУК → синтез углеводов
• – из сукцинил-КоА → синтез гема гемоглобина

АВТОНОМНАЯ САМОРЕГУЛЯЦИЯ ЦТК

В ЦТК два ключевых фермента:

•  цитратсинтаза (1-я реакция)
• изоцитратдегидрогеназа (3-я реакция)

Оба фермента аллостерически ингибируются избытком АТФ и НАДН2. Изоцитратдегидрогеназа сильно активируется АДФ. Если АДФ нет, то этот фермент неактивен. В условиях энергетического покоя концентрация АТФ увеличивается, и скорость реакций ЦТК мала – синтез АТФ уменьшается.

Изоцитратдегидрогеназа ингибируется АТФ намного сильнее, чем цитратсинтаза, поэтому в условиях энергетического покоя повышается концентрация цитрата, и он выходит в цитоплазму по градиенту концентраций путем облегченной диффузии. В цитоплазме цитрат превращается в Ацетил-КоА, который участвует в синтезе жирных кислот.

Биологическое окисление. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ЗАРЯД КЛЕТКИ (ЭЗК)

Многие процессы метаболизма регулируются соотношением АТФ/АДФ. Это соотношение характеризует энергетический статус (состояние) клетки (Энергетический Заряд Клетки).

[АТФ] 1/2[АДФ]

ЭЗК = ————————

[АТФ] [АДФ] [АМФ]

Теоретически ЭЗК может меняться от 0 до 1. Обычно в норме величина ЭЗК поддерживается в клетке в пределах 0.85-0.90.

ОБРАТИТЕ ВНИМАНИЕ! Метаболические пути, приводящие к образованию АТФ, ингибируются высоким ЭЗК; метаболические пути, ведущие к использованию АТФ, активируются высоким ЭЗК.

Биологическое окисление. ЧЕЛНОЧНЫЕ МЕХАНИЗМЫ ПЕРЕНОСА ВОДОРОДА

Никотинамидные дегидрогеназы находятся не только в матриксе митохондрий, но и в цитозоле. Митохондриальная мембрана непроницаема для НАД, поэтому НАДН2, который образуется в цитозоле, может передать свой водород в митохондрию только с помощью специальных субстратных ЧЕЛНОЧНЫХ МЕХАНИЗМОВ. В митохондрию из цитозоля передается не сам НАДН2, а только водород, отнятый от него. Переносимый водород включается  в молекулу вещества-челнока, способного проникать через митохондриальную  мембрану. В митохондрии вещество-челнок отдает водород на митохондриальный НАД или ФАД и возвращается обратно в цитозоль.

    В клетках организма человека существуют 2 типа челночных механизмов.

1. МАЛАТ-АСПАРТАТНЫЙ  челнок (наиболее универсален для клеток организма). С высокой скоростью работает в миокарде, почечной ткани, печени.

В этой транспортной системе водород от цитоплазматического НАД передается   на митохондриальный НАД(!), поэтому в митохондриях образуется 3 молекулы АТФ и не происходит потери энергии при переносе водорода. Для ткани печени малат-аспартатная система особенно важна, так как из митохондрии выводится Ацетил-КоА (в виде цитрата), а водород попадает в митохондрию (в составе малата).

Таким образом, происходит не только челночный транспорт водорода от  цитоплазматического НАД к митохондриальному, а и обратный транспорт Ацетил-КоА из митохондрий в цитоплазму в виде цитрата. В цитоплазме  Ацетил-КоА  может быть использован для синтеза жирных кислот.

ЩУК может вернуться в цитоплазму и другим способом: она может вступить в реакцию трансаминирования с глутаминовой кислотой (СМОТРИТЕ РИСУНОК)

2. ГЛИЦЕРОФОСФАТНЫЙ челнок (встречается реже).

В этой транспортной системе водород от цитоплазматического НАД передается   на митохондриальный ФАД(!), и в митохондриях образуется 2 молекулы АТФ вместо 3-х – происходит потеря энергии при переносе водорода.

В клетке существует не только челночный транспорт водорода от цитоплазматического НАД к митохондриальному. Происходит и обратный транспорт Ацетил-КоА из митохондрий в цитоплазму в виде цитрата. В цитоплазме Ацетил-КоА  может быть использован для синтеза жирных кислот.

Биологическое окисление. Пути использования кислорода

Биологическое окисление. Историческая справка

Изучение окисления в организме было начато в 18 в. А. Лавуазье; в дальнейшем значительный вклад в исследование БО (его локализация в живых клетках, связь с др. процессами обмена веществ, механизмы ферментативных окислительно-восстановительных реакций, аккумуляция и превращение энергии и др.) внесли О. Варбург, Г. Виланд (Германия), Д. Кейлин, Х. Кребс, П. Митчелл (Великобритания), Д. Грин, А. Ленинджер, Б. Чанс, Э. Рэкер (США), а в СССР – А. Н.Бах, В. И. Палладин, В. А. Энгельгардт, С. Е. Северин, В. А. Белицер, В. П. Скулачев и др.

В 1777г французский химик Антуан ЛоранЛавуазье (1743-1794), впервые правильно истолковал явление горения как процесс соединения веществ с О₂. Так как горение и дыхание  сопровождаются  потреблением О₂ и выделение СО₂, он предположил что, в их основе лежит один процесс. Однако у дыхания были существенные отличия от горения:  оно шло при низкой температуре, без пламени и в присутствии воды.

В конце XIX века русские исследователи  А.Н. Бах и В.И. Палладин, работая независимо друг от друга, предложили 2 основные теории для объяснения процессов, протекающих в ходе биологического окисления.

В 1897г Алексей Николаевич Бах (1857-1946) сформулировал «перекисную теорию окисления», согласно которой молекула О₂ сначала активируется. Активация О₂ происходит в результате разрыва одной его связи (-О-О-) и присоединения к органическим веществам – оксидазам. Активированный О₂ при взаимодействии с окисляемым веществом образует перекись.

Теория «перекисного окисления» Баха нашла свое подтверждение, однако главный механизм БО оказался иным.

Важнейшая заслуга в развитии учения о БО принадлежит русскому ученому ботанику и биохимику В.И.Палладину (1859-1922), который создал теорию «активации водорода». Он предположил, что окисление субстратов может происходить в 2 фазы:

1). Анаэробная фаза. В этой фазе особые вещества хромогены (R) отщепляют Н от субстратов и восстанавливаются (RH₂).

2). Аэробная фаза. Восстановленные хромогены RH₂ передают Н на О₂.

В последствии теория В.И. Паладина подтвердилась для процессов митоходриального окисления, а хромогены, принимающие участие в отнятии водорода от субстратов, в настоящее время называются ферментами дегидрогеназами.

Биологическое окисление. Современные представления 

Согласно современной теории БО:

• Окисление происходит как в аэробных, так и в анаэробных условиях.
• В аэробных организмах существует несколько путей использования О₂.
• Реакции БО необходимы в первую очередь для получения энергии в форме АТФ, а также для синтеза новых веществ, разрушения ксенобиотиков и продуктов метаболизма.
• БО является сложным, многостадийным процессом, в котором ведущую роль играют ферменты оксидоредуктазы.

Окислительно-восстановительные реакции(ОВР) – реакции, в которых меняется степень окисления субстрата за счет присоединения/отщепления: 1) 1 е^–; 2) 2е^– и 2Н ; 3) атомов кислорода.

Биологическое окисление (БО) совокупность окислительно-восстановительных реакций, которые протекают во всех живых клетках.

Субстрат БО – вещество, способное отдавать электрон. (Любые вещества, способные вступать в реакции окисления).

Тканевое дыхание – окисление органических веществ в клетках, сопровождающееся потреблением О₂ и выделением воды.

Субстрат тканевого дыхания – это вещество, которое отдает электрон непосредственно в цепь окислительного фосфорилирования. (Например, НАДН₂, ФАДН₂).

Дыхательная цепь – цепь переноса электронов. В переносе электронов от субстратов БО к О₂ принимают участие: 1) НАД и НАДФ зависимые ДГ; 2) ФАД и ФМН зависимые ДГ; 3) цитохромы; 4) коэнзим Q; 5) белки, содержащие негеминовое железо.

Свободная энергия. Каждое органическое вещество обладает определенным запасом внутренней энергии (Е). Часть этой внутренней энергии может быть использована для совершения полезной работы, такую энергию называют свободной (G). Направление химической реакции определяется значением ∆G. У катаболических реакций ∆G отрицательно, эти реакции протекают самопроизвольно (экзергонические реакции). У анаболических реакций ∆G положительно, они протекают только при поступлении свободной энергии извне (эндергонические реакции).

Редокс-потенциалы. В каждой окислительно-восстановительной системе участвует окисленная и восстановленная формы одного соединения, которые образуют сопряженную окислительно-восстановительную или редокс-пару. Разные редокс-пары обладают различным сродством к электрону. Мерой сродства редокс-пары к электрону служит окислительно-восстановительный потенциал, или редокс-потенциал (Е_о‘), величина которого прямо пропорциональна изменению свободной энергии ∆G. Величину Е_о‘ выражают в вольтах; чем она отрицательнее, тем меньше сродство вещества к электронам и наоборот.

Самое низкое сродство к электрону -0,42В у водорода. Самое высокое сродство к электрону 0,82В у О₂. Компоненты дыхательной цепи имеют редокс-потенциалы, занимающие промежуточное положение между -0,42В и 0,82В. В дыхательной цепи, вещества переносящие электрон, располагаются в порядке увеличения их редокс-потенциала. Электрон перемещается по дыхательной цепи от веществ с низким сродством к электрону к веществам с более высоким сродством к электрону, при этом происходит высвобождение свободной энергии, часть которой фиксируется в виде макроэргических соединений. Электроны в дыхательную цепь поставляют субстраты тканевого дыхания.

Биологическое окисление. Этапы унифицирования энергии пищевых веществ и образования субстратов тканевого дыхания

Образование субстратов тканевого дыхания осуществляется в несколько этапов:

1.      При переваривании в ЖКТ происходит гидролиз полимеров (белков, полисахаридов) и ТГ до мономеров, которые потом всасывающихся в кровь и включающихся в промежуточный обмен.

2.      В ходе катаболизма мономеры (моносахара, жирные кислоты и аминокислоты) превращаются в универсальное вещество – Ацетил-КоА (исключение некоторые АК).

3.      Ацетил-КоА поступает в ЦТК, где из него в последовательных реакциях образуются субстраты тканевого дыхания: изоцитрат, α-КГ, сукцинат и малат.

4.      Окисление субстратов тканевого дыхания сопровождается восстановлением коферментов НАДН₂ и ФАДН₂, которые затем отдают протоны в редокс-цепь окислительного фосфорилирования.

Биологическое окисление. Пути использования кислорода в клетке

В настоящее время выделено 4 основные пути использования кислорода в организме:

1.      Оксидазный путь – окислительное фосфорилирование. Протекает в митохондриях, является основным источником АТФ  в аэробных тканях. Потребляет 90% кислорода.

2.      Монооксигеназный путь. Обеспечивает включение 1 атома кислорода в молекулу субстрата. Используется для синтеза новых веществ (стероидные гормоны), обезвреживания ксенобиотиков и токсических продуктов обмена в митохондриях и ЭПР.

3.      Диоксигеназный путь. Обеспечивает включение молекулы кислорода в молекулу субстрата. Используется для деградации АК и синтеза новых веществ.

4.      Пероксидазный и радикальный пути. Кислород участвует в образовании перекисей и активных радикалов, которые необходимы в пероксисомах для внутриклеточного пищеварения, разрушения макрофагами бактерий, вирусов, регуляции метаболизма и т.д. Перекиси и активные кислородные радикалы оказывают также повреждающее воздействие на структуры клеток и тканей, активируя ПОЛ. Разрушение перекисей и инактивация свободных радикалов осуществляется с помощью ферментативной и неферментативной антиокидантной системы.

Биологическое окисление. Типы оксидоредуктаз

В соответствие с путями потребления кислорода и катализируемыми реакциями, все оксидоредуктазы разделены на 5 групп:

1).Оксидазы удаляют Н из субстрата (S), используя в качестве акцептора Н только О₂, продуктом реакции является вода. Все оксидазы содержат медь. Например, цитохромоксидаза, последний фермент дыхательной цепи.

SН₂ ½О₂ → S Н₂О.

2). Аэробные дегидрогеназы, или ФАД зависимые оксидазы, относятся к металлофлавопротеинам (ФАД, ФМН, Fe, Cu, Mo), находятся в пероксисомах и наружной мембране митоходрий. Они отнимают Н от субстрата, и передают его на О₂ с образованием перекиси. Дегидрогеназа L-аминокислот (оксидаза L-аминокислот) в почках осуществляет окислительное дезаминирование. Ксантиндегидрогеназа (ксантиноксидаза) превращает пурины в мочевую кислоту. Моноаминоксидазы (МАО) окисляют гормон адреналин и некоторые биогенные амины. Диаминоксидазы (ДАО) окисляют гистамин и другие диамины и полиамины. Образующаяся перекись бактерицидное действие.

SН₂ О₂ → S Н₂О₂

3). Анаэробные дегидрогеназы многочисленная группа, содержат в качестве коферментов НАДН₂, НАДФН₂, ФАД, ФМН, цитохромы. Они удаляют Н из субстрата, не используя в качестве акцептора протона О₂. Анаэробные дегидрогеназы  выполняют две главные функции: перенос Н с одного субстрата на другой в сопряженной ОВР и транспорт электронов в дыхательной цепи. Примеры ферментов: изоцитрат ДГ (НАДН₂), сукцинат ДГ (ФАДН₂), цитохромы в, с₁, с, а и а₃.

SН₂ R → S RН₂

4). Оксигеназы. Включают кислород в молекулу субстрата. Работают в составе мультиферментного комплекса, содержащего ФАД зависимую ДГ, Fe₂S₂-белок, цитохромы Р₄₅₀ или В₅. Этот комплекс встроен в мембрану ЭПР или внутреннюю мембрану митохондрий.

а) Монооксигеназы. Обеспечивают включение 1 атома кислорода в молекулу субстрата. В качестве восстановителей (R) используется НАДФН₂, НАДН₂ и аскорбат. Участвуют в синтезе стероидных гормонов, обезвреживании ксенобиотиков. Фен-4-монооксигеназа окисляет фен в тир. Пролингидроксилаза (аскорбат) гидроксилирует пролин в проколлагене.

SН О₂ RH₂ → SOH Н₂О R

б) Диоксигеназы. Обеспечивают включение молекулы кислорода в молекулу субстрата, окисляют циклические соединения с разрывом цикла. Например, триптофаноксигеназа, превращает триптофан в фенилкенуренин.

S О₂ → SO₂

5).Гидроксипероксидазы разрушают перекиси водорода и органические перекиси. Ферменты пероксидаза и каталаза. Пероксидазы, содержат протогем, восстанавливают перекись до воды за счет хинонов, аскорбата или цитохрома с. Глутатионперосидаза, содержит селен, восстанавливает перекись до воды за счет глутатиона.

Н₂О₂ RH₂ → 2Н₂О R

Каталаза, гемопротеин, использует одну Н₂О₂ как донор е^–, а вторую Н₂О₂ как акцептор е^–, в результате образуется вода и молекула кислорода. Каталазы много в крови, костном мозге, слизистых оболочках, почках и печени.

2Н₂О₂ → 2Н₂О О₂.

Биологическое окисление. Варианты дыхательной цепи

1. ПОЛНАЯ ДЫХАТЕЛЬНАЯ ЦЕПЬ

В этой цепи окисляется небольшое количество субстратов, из которых главными являются четыре. Коэффициент Р/О=3.

Все ферменты полной цепи являются НАД-зависимыми дегидрогеназами.

2. СОКРАЩЕННАЯ (УКОРОЧЕННАЯ) ДЫХАТЕЛЬНАЯ ЦЕПЬ

Известны два субстрата. Главным из них является сукцинат (янтарная кислота).

Сукцинатдегидрогеназа – это комплекс II, который в укороченном варианте цепи является начальным звеном окисления. В составе комплекса – простетическая группа ФАД и FeSII. От ФАД.Н2 два атома водорода переносятся на KoQ. Значит, первое звено, которое имеется в полной цепи – исключается. Перепад окислительно-восстановительного потенциала между ФАД и KoQ невелик. Поэтому переноса H в межмембранное пространство в этой точке не происходит. DmH   также создается, но меньший, чем в полной цепи. Значит, меньше и эффективность фосфорилирования – коэффициент Р/О=2.

Аналогичным образом окисляется и второй субстрат – ацил-КоА (активная форма любой жирной кислоты):

3. МАКСИМАЛЬНО СОКРАЩЕННАЯ (МАКСИМАЛЬНО УКОРОЧЕННАЯ) ДЫХАТЕЛЬНАЯ ЦЕПЬ.

Она представлена только цитохромной  частью. Эксперименты показали, что здесь может быть окислен только один субстрат – аскорбиновая кислота, с участием фермента, восстановленные эквиваленты включаются в цепь на уровне цитохрома С цитохромоксидазы (цитохром аа3), но в реальных условиях такого окисления практически не происходит. Образуется вода и 1 молекула АТФ. Коэффициент Р/О=1.

Возможность такого окисления доказана в эксперименте in vitro. А в живой клетке аскорбиновая кислота обычно используется как донор водорода в системе окисления оксигеназного типа (реакции, катализируемые монооксигеназами: смотрите лекцию «Внемитохондриальное окисление»). Такие реакции с участием витамина «С» особенно важны для формирования белка коллагена, в котором за счет монооксигеназной реакции образуется гидроксипролин.

Биологическое окисление. ОКИСЛИТЕЛЬНОЕ ДЕКАРБОКСИЛИРОВАНИЕ ПИРОВИНОГРАДНОЙ И a-КЕТОГЛУТАРОВОЙ КИСЛОТ В МИТОХОНДРИЯХ

Этот вариант дыхательной цепи удлинен по сравнению с полной цепью за счет того, что первое звено катализируется не никотинамидным ферментом, а мультиферментным комплексом. Это единая надмолекулярная структура. В состав этого комплекса входят 3 фермента и 5 коферментов. Такой комплекс называется мультиферментным комплексом окислительного декарбоксилирования a-кетокислот, и он окисляет два субстрата:

1. Пировиноградную кислоту (пируват, ПВК)

Окисляется с помощью ферментов пируватдегидрогеназного комплекса;

2. a-кетоглутаровую кислоту (a-КГ)

Окисляется с помощью ферментов a-кетоглутаратдегидрогеназного комплекса.

Оба комплекса ферментов работают одинаково. Они катализируют реакции    окислительного декарбоксилирования соответствующей a-кетокислоты.

Биологическое окисление. ОКИСЛИТЕЛЬНОЕ ДЕКАРБОКСИЛИРОВАНИЕ ПИРУВАТА

1-ю реакцию катализирует фермент ПИРУВАТДЕКАРБОКСИЛАЗА (Е1).

Простетической группой пируватдекарбоксилазы является тиаминдифосфат (ТПФ, тиаминпирофосфат, ТДФ) – это активная форма витамина В1. Активная часть ТПФ – тиазоловое кольцо и атом водорода в нем. Для краткости записывают: НС-ТПФ.

Пируватдекарбоксилаза отщепляет CO2, а оставшаяся оксиэтильная группа присоединяется к ТПФ.

2-ю и 3-ю реакцию процесса катализирует фермент АЦИЛТРАНСФЕРАЗА (Е2). Простетическая группа ацетилтрансферазы – амид липоевой кислоты. Катализирует перенос оксиэтильного остатка на свой собственный кофермент (строение  ЛК  знать описательно по учебнику).  В ее  составе  есть  дисульфидная связь.

На этом этапе уже произошло окисление оксиэтильного остатка до остатка уксусной кислоты, одновременно с этим началось восстановление липоевой кислоты.

3 этап – продолжает работать фермент ацилтрансфераза.

На этой стадии фермент переносит остаток уксусной кислоты на молекулу кофермента А (КоА). В КоА содержится остаток пантотеновой кислоты (витамин В3). Активной частью КоА является остаток тиоэтаноламина и его -SH группа.

Выяснено, что этот фермент переносит не только остатки уксусной кислоты, но и остатки других кислот (нециклических). Поэтому его еще называют коферментом ацилирования.

Второй фермент данного комплекса является не только ацетилтрансферазой, но и окислительным ферментом одновременно (дегидрогенизирующая ацетилтрансфераза).

Энергия этого окисления аккумулируется в виде макроэргической связи активной формы уксусной кислоты (ацетил-КоА).

4 этап катализируется  ферментом ДИГИДРОЛИПОИЛДЕГИДРОГЕНАЗОЙ.

Кофермент этого этапа – особый ФАД с низким окислительно-восстановительным потенциалом (обозначается как ФАД’). Переносит протоны и электроны с дигидролипоата на НАД – последний кофермент в описанном комплексе.

В итоге можем записать суммарное уравнение:

Аналогично действует ферментный комплекс для окислительного декарбоксилирования a-кетоглутарата. Но названия двух из трех ферментов другие:

1-й фермент – декарбоксилаза a-кетоглутаровой кислоты

2-й фермент – сукцинилтрансфераза (переносит остаток янтарной кислоты)

Суммарное уравнение для этого комплекса:

В результате действия этих двух комплексов, каждый из двух приведенных субстратов (ПВК  и  a-КГ) – теряют СО2, два протона и два электрона, которые передаются на   кислород с образованием Н2О и параллельно происходит фосфорилирование трех  молекул АТФ. Сами субстраты превращаются в итоге в активную форму соответствующей кислоты.

Макроэргическая связь в молекулах этих активных форм может легко   трансформироваться в макроэргическую связь молекулы АТФ. Например, для молекулы сукцинил-КоА:

Такой способ образования АТФ, когда нет сопряжения с процессами     окисления, называется СУБСТРАТНЫМ ФОСФОРИЛИРОВАНИЕМ (при этом используется макроэргическая связь в молекуле какого-нибудь субстрата). В организмах высших животных и человека этот путь получения АТФ не является главным. Благодаря такому механизму окислительное декарбоксилирование a-кетокислот может считаться энергетически более выгодной, потому что образуется вещество с макроэргической связью – ацетил-КоА. Некоторые   синтетазы  используют  макроэргические связи из Ацетил-КоА или Сукцинил-КоА для реакций биосинтеза.

Например, при синтезе гема гемоглобина используется часть молекул сукцинил-КоА:

Большая часть будет все же использоваться для синтеза ГТФ.

Другой продукт окислительного декарбоксилирования (Ацетил-КоА) может расходоваться в реакциях синтеза жирных  кислот, холестерина, стероидов. А самая большая часть этого вещества используется при синтезе лимонной кислоты в реакциях Цикла Трикарбоновых Кислот.

Биологическое окисление. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИТОГ УДЛИНЕННОЙ ЦЕПИ.

Образуются 3 молекулы АТФ путем окислительного фосфорилирования. Продукты окислительного декарбоксилирования (ацетил-КоА и сукцинил-КоА) содержат макроэргическую связь. Энергия макроэргической связи сукцинил-КоА используется двумя способами.

1. Субстратное фосфорилирование в ЦТК (так расходуется большая часть этого вещества).
2. Реакции синтеза гема (меньшая часть сукцинил-КоА).

Энергия макроэргической связи Ацетил-КоА используется только в реакциях синтеза:

• Синтез лимонной кислоты (цитрата).
• Синтез кетоновых тел
• Синтез жирных кислот
• Синтез холестерина

Среди субстратов МтО почти нет веществ, которые организм получает с пищей – только глутаминовая кислота.

Субстраты МтО – в основном органические кислоты, которые образуются в организме в процессе катаболизма. В процессе катаболизма из большого количества разнообразных пищевых веществ образуется всего 2 вида общих метаболитов: Ацетил-КоА и ПВК.

Биологическое окисление. Пути использования кислорода

Биологическое окисление. ОКСИГЕНАЗНЫЙ ПУТЬ 

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 НАДФН₂-Р₄₅₀ 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).

_.НАДФН₂-Р₄₅₀ редуктаза. Цитозольный домен содержит 2 кофермента ФАД и ФМН, гидрофобный домен фиксирует фермент в мембране. НАДФН₂-Р₄₅₀ 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 О^2-, при взаимодействии с 2 протонами О^2- 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.

Биологическое окисление. 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.

Биологическое окисление. 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:

Биологическое окисление. 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^– → О^∙₂ супероксидный анион-радикал (˙О::О:).

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

3)      Н₂О₂ 1е^– → НО^∙ ОН^– гидроксильный радикал, ОН^– протонируется 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 О^∙₂ 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 ) О^∙₂

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: О^∙₂ 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).

Биологическое окисление. Ферментативные реакции образования АФК

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

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

H₂O₂ Fe² → Fe³ HO^– HO· (реакция Фентона)

HOCl Fe² →  Fe³ Cl^– HO· (реакция Осипова)

2). Радикалы. АФК, обмениваясь электроном, легко переходят друг в друга: О^∙₂ 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).

Биологическое окисление. 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^–

Биологическое окисление. 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 2О^∙₂ 2Н
• Под действием супероксиддисмутазы (СОД) супероксидный радикал превращается в перекись водорода: 2О^∙₂ 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 О^∙₂  → Fe² O₂
• Fe² H₂O₂ →  Fe³ НО^∙ ОН^–
• Fe² ClO^– H →  Fe³ Cl^– НО^∙

Фактор некроза опухоли

2.Поддержание гомеостаза.

Эйказаноиды – медиаторы воспаления

3.Внутриклеточноепищеварение. В пероксисомах образуются АФК. Когда пероксисомы сливаются с фагосомами, АФК обеспечивают внутриклеточное пищеварение.

Биологическое окисление. 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 НО^∙ вызывают 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.

Биологическое окисление. Антиоксидантные клетки

Антиоксидантная система

В нормальных условиях процесс СРО находится под строгим контролем ферментативных и неферментативных систем клетки, от чего скорость его невелика. Химические соединения и физические воздействия, влияющие на скорость СРО, делят на прооксиданты и антиоксиданты.

Прооксиданты усиливают процессы СРО. Это высокие концентрации кислорода (например, при длительной гипербарической оксигенации больного), ферментные системы, генерирующие супероксидные радикалы (например, ксантиноксидаза, ферменты плазматической мембраны фагоцитов и др.), ионы двухвалентного железа.

Антиоксиданты тормозят СРО. Антиоксиданты, находящиеся в организме, образуют его ферментативную и неферментативную антиоксидантную систему.

1. Ферментативная антиоксидантная система

К ферментам, защищающим клетки от действия активных форм кислорода, относят супе-роксиддисмутазу, каталазу и глутатионпероксидазу. Наиболее активны эти ферменты в печени, надпочечниках и почках, где содержание митохондрий, цитохрома Р₄₅₀ и пероксисом особенно велико.

Супероксиддисмутаза (СОД) превращает супероксидные анионы в перекись водорода:

2О^∙₂ 2H →  H₂O₂ O₂

Изоферменты СОД находятся и в цитозоле (Cu² и Zn² ) и в митохондриях (Mn² ) и являются как бы первой линией защиты, потому что супероксидный анион образуется обычно первым из активных форм кислорода. СОД — индуцируемый фермент, т.е. синтез его увеличивается, если в клетках активируется СРО.

Каталаза – геминовый фермент, катализирует реакцию разрушения перекиси водорода. При этом образуется вода и молекулярный кислород:

2Н₂О₂ →  H₂O O₂

Каталаза находится в основном в пероксисомах, где образуется наибольшее количество перекиси водорода, а также в лейкоцитах, где она защищает клетки от последствий «респираторного взрыва» и в эритроцитах, где она защищает гем гемоглобина от окисления.

Глутатионпероксидаза — обеспечивает разрушение перекиси водорода и гидропероксидов липидов при окислении глутатиона (у-глутамилцистеинилглицин): Н₂О₂ 2 GSH → 2 Н₂О G-S-S-G. Глутатионпероксидаза в качестве кофермента содержит селен.

Глутатионредуктаза восстанавливает окисленный глутатион с участием НАДФН₂:

GS-SG НАДФН₂ →  2 GSH НАДФ .

Недостаток глутатиона в клетках, например эритроцитах, который может быть обусловлен действием токсических веществ, например ионами тяжелых металлов или наследственным недостатком глутатионредуктазы приводит к активации перекисного окисления; это, в частности, наблюдается при некоторых видах гемолитических анемий.

Фосфолипаза в мембране отщепляет от фосфолипидов окисленные жирные кислоты, содержащие гидроперекисную группу (LOOH), тем самым разрушаются гидроперекиси липидов, предотвращается разветвление цепей окисления липидов в мембранах.

2. Неферментативная антиоксидантная система

“Липидные антиоксиданты” – производные фенола, способны инактивировать свободные радикалы в гидрофобном слое мембран и предотвращать развитие ПОЛ. К ним относится α-токоферол (витамин Е), убихинон (коэнзим Q), тироксин и синтетические соединения, например ионол (бутилированный гидрокситолуол).

Витамин Е (α-токоферол) самый распространённый липофильный антиоксидант, он обеспечивает защиту мембран от СРО. Различают 8 типов токоферолов, но α-токоферол наиболее активен. α-Токоферол отдаёт атом водорода радикалу липида ROO^∙, восстанавливает его до гидропероксида (ROOH), а сам превращается в малоактивный свободный радикал, что прерывает ПОЛ:

Регенерацию α-токоферола осуществляет витамин С.

Свободный радикал витамина Е стабилен и не поддерживает ПОЛ, он взаимодействует с радикалами липидных перекисей, восстанавливает их, а сам превращается в стабильную окисленную форму — токоферолхинон.

Витамин С ингибирует СРО с помощью двух различных механизмов:

1). восстанавливает в мембранах токоферолхинон до витамина Е:

НО-аскорбат-ОН α-ТФ-О· → α-ТФ-ОН НО-аскорбат-О· (семидегидроаскорбиновая к-та)

НО-аскорбат-О· α-ТФ-О· → α-ТФ-ОН О=аскорбат=О (дегидроаскорбиновая к-та)

Регенерация аскорбиновой кислоты идет с участием ферментативных систем:

а). В микросомах, с участием комплекса НАДН₂-редуктаза-цитохром b₅:

     2НО-аскорбат-О· НАДН₂ → 2НО-аскорбат-ОН НАД

б). В митохондриях, с участием НАДН₂-семидегидроаскорбатредуктазы:

     2НО-аскорбат-О· НАДН₂ → 2НО-аскорбат-ОН НАД

в). В цитозоле, с участием НАДФН₂-дегидроаскорбатредуктазы:

     О=аскорбат=О 2НАДФН₂ → НО-аскорбат-ОН 2НАДФ

г). В цитозоле, с участием GSH-дегидроаскорбатредуктазы:

     О=аскорбат=О 2GSH → НО-аскорбат-ОН GS-SG

2). взаимодействует с активными формами кислорода — О^∙₂, Н₂О₂, НО^∙ и инактивирует их.

β-Каротин, предшественник витамина А, также обладает антиоксидантным действием и ин-гибирует ПОЛ.

Соединения, связывающие железо. Большинство из них, включая такие природные соединения как дипептид карнозин, не просто связывают железо, но, самое главное, не дают ему возможности приникнуть в липидную фазу мембран, поскольку образующиеся комплексы, в силу своей полярности, не проникают в гидрофобную зону.

Для детоксикации двухвалентного железа в организме существует, по-видимому, целая система окисления и связывания ионов железа. В плазме крови эта система представлена ферментом церрулоплазмином (феррооксидазой), который окисляет Fe² до Fe³ кислородом без образования свободных радикалов, и белком трансферрином, который связывает и переносит в кровяном русле ионы трехвалентного железа, которые затем захватывается клетками. В клетках железо может восстанавливаться аскорбиновой кислотой и другими восстановителями, но затем окисляется и депонируется в окисленной форме внутри ферментного белкового комплекса ферритина.