176 6. Биологическое окисление

6.5. Оксигеназное и свободнорадикальное окисление

Перенос протонов и электронов по митохондриальной дыхательной цепи на кислород, сопряженный с фосфорилированием, приводящий к образованию АТФ, который катализируется оксидазами (дегидрогеназами), не исчерпывает все реакции биологического окисления. Наряду с оксидазами в тканях содержатся также ферменты, катализирующие окислительные реакции, в которых атомы кислорода включаются непосредственно в молекулу субстрата.

Эти ферменты называют оксигеназами. Различают два класса оксигеназ: диоксигеназы и монооксигеназы. Диоксигеназы катализируют реакции, в которых в молекулу органического субстрата включаются оба атома молекулы кислорода. Монооксигеназы катализируют реакции, в которых в молекулу органического субстрата включается только один из атомов молекулы кислоро-

да, а второй атом восстанавливается до НО. Монооксигеназам требуются два

2

субстрата, из которых один присоединяет один из атомов кислорода(главный субстрат), а другой субстрат поставляет атомы водорода для восстановления

второго атома кислорода до НО (косубстрат). Иногда эту группу ферментов

2

называют гидроксилазами, так как субстрат, присоединяющий атом кислорода, по большей части гидроксилируется. В качестве косубстрата монооксигеназ могут служить восстановленные флавопротеиды(ФМН.Н2 или ФАД.Н2), пиридинпротеиды (НАД.Н2 или НАДФ.Н2), α-кетоглутарат и др. Наиболее многочисленны и сложны монооксигеназные реакции, в которых участвует цитохром Р450. Этот цитохром обычно содержится не в митохондриях, а в эндоплазматическом ретикулуме. Подобно митохондриальной цитохромоксида-

зе, цитохром Р способен взаимодействовать с кислородом. Цитохром Р

450 450

катализирует реакции гидроксилирования (т.е. он является монооксигеназой), в которых органический субстрат SН гидроксилируется до S-ОН за счет одного из атомов молекулы кислорода, тогда как второй атом кислорода восстанав-

ливается	до 2OН за счет восстановительных	эквивалентов от НАД2, .Н
НАДФ.Н2	или железосерных белков. Цитохром Р450	участвует в ряде важных

биологических реакций, например, в гидроксилировании стероидов в процессе биосинтеза гормонов коры надпочечников. Существенна также роль цитохрома Р450 в гидроксилировании ряда лекарственных препаратов и других ксенобиотиков, особенно если эти вещества гидрофобны. В результате гидроксилирования растворимость в воде таких веществ повышается, что способствует их детоксикации и выведению из организма.

В оксигеназных реакциях используется лишь небольшая часть всего -ки слорода, поглощаемого клетками. Около 90% всего потребляемого кислорода восстанавливается с участием цитохромоксидазы в митохондриальной дыхательной цепи. При этом происходит полное восстановление молекулы кисло-

6. Биологическое окисление

177

рода, т.е. акцептируется молекулой кислорода четыре электрона и образуется две молекулы воды:

2е- + 2Н+ + 1/2 О2à Н2О или 4е- + 4Н+ + О2 à2 Н2О

Вбольшинстве случаев в организме восстановление кислорода происходит поэтапно, с переносом одного электрона на каждом этапе. Однако при некоторых ферментативных и неферментативных реакциях окисления в клетках может происходить неполное восстановление кислорода. (в самом тканевом дыхании, при присоединении кислорода к гемоглобину и др.). При неполном

восстановлении кислорода в случае присоединения только двух электронов

2 -

образуется пероксидный анион О 2 , а в водной среде перекись(пероксид) водорода (Н2О2), а в случае присоединения одного электрона– супероксидный радикал (О2-). Пероксид водорода в свою очередь может восстанавливаться супероксидом:

Н2О2 + О2 à ОН-. + ОН- + О2

В этой реакции образуется свободный гидроксильный радикал(ОН), который при взаимодействии с супероксидом образует синглетный кислород. Супероксид, пероксид водорода, гидроксильный радикал и синглетный кислород имеют высокую химическую активность и реагируют со многими веществами, в том числе с нуклеиновыми кислотами, белками, липидами. Эти продукты могут вызвать токсические эффекты, повреждая структуру митохондрий, могут повреждать клеточные мембраны, взаимодействуя с остатками ненасыщенных жирных кислот мембранных липидов, спонтанно ускоряя цепные реакции пероксидного окисления липидов. Активные формы кислорода способны отнимать водород от определенных групп -СН2- ненасыщенных жирных кислот, превращая их в свободнорадикальные группы-СН*-. Такой радикал жирной кислоты легко присоединяет молекулу кислорода и превращается в пероксидный радикал жирной кислоты.

		*								*	(a)
						CH
HC			+ O2					O O

Пероксидный радикал может отнимать водород от другой молекулы жирной кислоты:

*

O* + CH

CH

O

HC

O

OH + HC (б)

2

178	6. Биологическое окисление

В результате пероксидный радикал восстанавливается в гидропероксид за счет окисления другой молекулы жирной кислоты в свободный радикал. Этот второй свободный радикал в свою очередь повторяет вышеуказанные реакции (а, б) с образованием третьего свободного радикала, т.е. развивается цепная химическая реакция или, как говорят, развивается самоускоряющийся процесс свободно-радикального окисления ненасыщенных липидов. Этот процесс получил название: пероксидное окисление липидов. Он может разрушить ненасыщенные липиды мембран, что приводит к гибели клетку. Свободнорадикальные группы могут также, реагируя с белками (в том числе с ферментами), нуклеиновыми кислотами, вызывать нарушение их структуры и функции.

Установлено, что процессы пероксидного окисления липидов протекают в клетках непрерывно и служат одним из важных способов модификации фосфолипидного бислоя мембран, вызывая их обновление. Повреждающее действие, в основном, обусловлено сверхнормативным накоплением в клетке свободных радикалов и продуктов дальнейшего превращения гидропероксидов липидов – альдегидов, кетонов и др., которые могут изменить конформацию липидов, вызвать сшивку между молекулами липидов или липидов и белков с образованием балластных полимеров, вызвать инактивацию ферментов и привести к повреждению мембранных структур. Обычно возрастание концентрации продуктов пероксидного окисления сверх стационарного уровня отмечается при развитии различных патологических состояний: лучевой болезни, злокачественного роста, Е-авитаминоза, токсикозов, стрессовых расстройствах и др. В физиологических условиях это не происходит за счет функционирования согласованной антиоксидантной системы ферментативной и неферментативной природы. Защитная антиоксидантная система клеток контролирует пероксидное окисление на всех стадиях его протекания и включает в себя антиоксиданты и ферменты ингибирования пероксидного окисления. Эта система обеспечивает дисмутацию супероксидных радикалов, утилизацию пероксида водорода, разрушение гидропероксидов ненасыщенных жирных кислот, а также инактивацию свободных радикалов с помощью природных антиоксидантов (α-токоферола, аскорбата, полифенолов). С помощью супероксиддисмутазы супероксидный радикал преобразуется в пероксид водорода по схеме:

-.		-.		+	супероксиддисмутаза
O	2	+ O	2	+ 2Н			H O		+ O	2
							2	2

Пероксид водорода удаляется в свою очередь с помощью другого -фер мента каталазы согласно реакции:

каталаза Н2О2 + Н2О2 ® 2Н2О + О2

6. Биологическое окисление

179

Разложение перекиси водорода может осуществляться и с помощью -пе роксидаз, катализирующих перенос атомов водорода с субстрата или восстановленных пиридин- и флавопротеидов на перекись водорода:

	H	п е р о к с и д а з а
S	+ Н 2 О 2		S + 2 Н 2	О
	H

Полагают, что в физиологических условиях при низких концентрациях Н2О2 каталаза действует почти исключительно как пероксидаза и, повидимому, в животных тканях существует только глутатиопероксидаза, использующая для восстановления Н2О2 восстановленный глутатион:

H2O2+ 2 Г-SH глутатионпероксидаза 2 H2O + Г-S-S-Г

Восстановленный глутатион используется и для восстановления гидропероксидов, образующихся в процессе перекисного окисления липидов.

Следует иметь в виду, что наряду с антиоксидантными ферментами (супероксиддисмутазой, каталазой, глутатионпероксидазой) в организме функционирует система антиоксидантов (глутатион, аскорбат, токоферол, полифенолы), также ограничивающие пероксидное окисление липидов, выступая в качестве «ловушек» свободных радикалов. При срыве системы антиоксидантной защиты (например, при низком поступлении с пищей антиоксидантов, повреждении антиоксидантных ферментов при облучении и др.) свободнорадикальное окисление в тканях развивается лавинообразно. Развивается синдром пероксидации, заключающийся в повреждении клеточных мембран, ингибировании многих ферментов, нарушении клеточного деления, накоплении инертных (балластных) продуктов перекисной денатурации липидов и белков. В этой связи ряд антиоксидантов, таких как аскорбиновая кислота, токоферол, рутин, синтетический препарат ионол(дибунол) и др. используются как лечебные препараты при целом ряде патологических состояний, сопровождаемых усилением перекисного окисления.