Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Лекции - 2006 / 14. активный кислород

.doc
Скачиваний:
66
Добавлен:
03.10.2013
Размер:
117.76 Кб
Скачать

258

13. Клетки и активный кислород

Кислород участвует в метаболических превращениях аэробных организмов различными путями. Здесь, например, окислительное фосфорилирование, фотофосфорилирование и окислительное превращение в нормальном мета-болизме и в биотрансформации ксенобиотиков. В первом случае речь идет о дегидрировании субстратов с переносом электронов от восстановитель-ного потенциала NAD(Р)Н на молекулы кислорода дискретными этапами с четко фиксированными окислительно-восстановительными потенциалами. В этом процессе, связанном с прямым восстановлением молекулы кисло-рода четырьмя электронами, образуется вода. Во втором случае различные оксигеназы вводят в структуру субстратов один или два атома кислорода. В частности, оксигеназы смешанных функций, представляющие собой гемопротеины, окисляют СН‑связи с образованием гидроксилированных производных. Так, например, с участием монооксигеназ идет образование адреналина из фенилаланина, а гидроксилированные таким образом гидро-фобные ксенобиотики после этого сочетаются с гидрофильными вещест-вами, переходят в раствор и выводятся из организма.

Процессы переноса электронов на кислород находятся под строжайшим ферментативным контролем, обеспечивающим полное восстановление кислорода до воды или его включение в органические молекулы. Элект-ронная конфигурация молекулы кислорода соответствует бирадикалу и поэтому его восстановление до воды гораздо легче протекает по схеме последовательного присоединения, чем при согласованном переносе четы-рех электронов. Последовательное одноэлектронное восстановление при-водит к реакционно-способным промежуточным состояниям кислорода, которые в небольшом объеме всегда сопровождают течение нормального метаболизма:

При переносе на молекулу кислорода нечетного числа электронов образу-ются свободные радикалы, из которых самым реакционноспособным явля-ется гидроксильный радикал. Он значительно легче реагирует с органичес-кими молекулами, чем супероксид, который к тому же легко диспропор-ционирует на кислород, и гораздо менее реакционноспособный пероксид:

Гидроксильный свободный радикал – это мощный и неизбирательный окислитель, реагирующий с органическими веществами, входящими в со-став клеток, с константами скорости порядка 1109-11010 моль-1сек-1. Вызы-ваемое гидроксильным радикалом окисление представляет собой отрыв электрона от органической молекулы с образованием из нее свободного радикала, который с участием кислорода превращается в гидропероксид, генерируя при этом в цепной реакции множество новых свободных ради-калов. То есть идет реакция инициации и распространения цепи.

Инициация:

Распространение цепи:

Обрыв цепи происходит в результате рекомбинации различных радикалов в том числе и с образованием пероксидов, например ROOR.

Ярче всего цепные реакции окисления проявляются на липидных компо-нентах клеточных мембран, где объектом атаки становятся метиленовые группы между двойными связями в остатках полиненасыщенных кислот:

Теперь образовавшийся пероксидный радикал отрывает атом водорода от другой метиленовой группы, генерируя новый свободный радикал, кото-рый продолжает цепь свободнорадикальных превращений:

Накапливающиеся гидропероксиды начинают окислять другие ненасыщен-ные остатки по двойным связям. Одним из продуктов этого окисления ста-новится диальдегид малоновой кислоты, присутствие которого обнаружи-вается специальной цветной реакцией, позволяющей даже количественно определять степень окислительного повреждения мембранных липидов:

Укороченные и гидрофилизированные окислительными превращениями остатки жирных кислот в составе мембранных липидов не могут больше участвовать в поддержании структуры двухслойной мембраны и она лизи-руется, что приводит к гибели клетки.

Свободные радикалы сильно различаются в стабильности и реакционной способности. В частности, витамин Е и многие другие фенольные соедине-ния с объемными заместителями, принимая неспаренный электрон, делока-лизуют его в ароматической системе. Такие свободные радикалы не участ-вуют в инициации и распространении цепи.

Продукты неполного восстановления молекул кислорода, органические пероксидные свободные радикалы и пероксидные соединения часто объ-единяют названием «активный кислород». Кроме того, существует еще так называемый синглетный кислород. При спонтанных изменениях спина электрона обычный триплетный кислород, который из-за несоответствия электронных характеристик молекул плохо реагирует с синглетными орга-ническими молекулами, переходит в синглетное состояние и становится более сильным окислителем. В процессе фотосинтеза образуется также триплетный хлорофилл, а обмен электронами между ним и триплетным кислородом приводит к появлению синглетного кислорода с одним из электронов на разрыхляющей орбитали, что делает его еще более сильным окислителем. Для «гашения» триплетного хлорофилла и синглетного кис-лорода в состав мембран клеток растений входят каротиноиды, которые принимают в систему сопряженных связей эти электроны с необычными спинами и удерживают их до нового спонтанного изменения спина.

Объяснение токсичности кислорода образованием свободных радикалов впервые было дано Гершманом (Gershman), который обратил внимание на подобие патологических изменений при гипероксии и рентгеновском об-лучении. Основываясь на том, что при радиолизе водных растворов обра-зуются свободные радикалы, он в 1954 году сформулировал гипотезу о том, что кислородное отравление вызывается кислородными свободными радикалами. Он также дал этому явлению название гипероксидный стресс. Точно так же действие активного кислорода, каким бы ни был его источник, называют оксидативным стрессом.

Аэробные клетки подвергаются оксидативному стрессу даже при нормаль-ном течении метаболических процессов. В клетках печени стационарная концентрация пероксида водорода определена равной 10-9 моль/л. Содер-жащийся в цитозоле пероксид водорода – это продукт диспропорцио-нирования супероксида, рассчитанная концентрация которого равна 10‑12 моль/л. Внутриклеточный супероксид может быть образован в резуль-тате отклонений от нормального транспорта электронов в мембране мито-хондрий, например, так, как это постоянно идет в эритроцитах при окис-лении двухвалентного железа в переносящем кислород геме:

Это обеспечивает низкую, но постоянную скорость окисления некоторых железосодержащих компонент электронпереносящей цепи. Тем не менее, самую высокую склонность к окислению в этой цепи показывает восста-новленный убихинон или пластохинон в клетках растений.

Метаболические или экологические отклонения от нормы могут прово-цировать повышенный уровень концентрации активного кислорода. При метаболических превращениях ксенобиотиков свободные радикалы обра-зуются в качестве основного или побочного продукта. Изучение токсичес-ких характеристик четыреххлористого водорода показало, что в основе его разрушительного действия на клетки печени лежит трихлорметильный радикал (CCl3), который образуется при метаболическом окислении четы-реххлористого углерода цитохромом Р450:

Известно также, что хиноновые соединения переводят кислород в пер-оксид водорода. Хорошо известному токсическому действию примахина на эритроциты предшествует накопление в них пероксида водорода. NADPH- и NADH-зависимые флавопротеины катализируют восстанов-ление хинонов в свободнорадикальные семихиноны, а семихиноны окис-ляются с образованием активного кислорода:

Окисление гидрохинонов также идет с промежуточным образованием семихинонов:

Токсичность хинонов объясняется как возможностью их превращения в органический свободный радикал, так и оксидативным стрессом в резуль-тате образования активного кислорода (возможность присоединения био-молекул по двойным связям хинонов здесь не рассматривается). Основной механизм зависит от химической природы хинона и от реакционной спо-собности семихинонов в их реакции с кислородом. Во всяком случае неко-торые хиноидные антибиотики с противораковой активностью проявляют цитотоксичность через генерирование активного кислорода.

Активный кислород лежит в основе гербицидной активности и токсич-ности параквата и других дипиридилиевых солей, которые превращаются в катионоидный свободный радикал при переносе одного электрона, ката-лизируемом NADРН-зависимыми микросомальными флавопротеинами. Катионный радикал параквата легко переносит свой неспаренный электрон на кислород с образованием супероксида, а сам возвращается в окислен-ную форму. Непрерывный цикл окислительно-восстановительных превра-щений – вот основа токсичности и гербицидной активности дипириди-лиевых солей, проявляющейся в постоянном генерировании активного кислорода и полном исчерпании пула NADРН.

Стимулированные фагоцитные клетки (нейтрофилы) также производят значительные количества супероксида в результате переноса одного электрона на кислород, катализируемом NADРН-зависимым ферментным комплексом, локализованным в плазматической мембране этих клеток. Образующиеся при этом супероксид и пероксид, как известно, отвечают за бактерицидное действие нейтрофилов и участвуют в течении воспалитель-ных процессов.

Многие ткани содержат ксантиндегидрогеназу (XD), которая катализирует окисление гипоксантина в ксантин и мочевую кислоту. Электроны этих субстратов переносятся на NADР+ с образованием NADРН. Иммуноцито-химический анализ показал, что этот фермент находится в эндотелии сосудистой системы. Когда ток оксигенированной крови в сосудах какого-либо органа блокируется (ишемическая болезнь), ксантиндегидрогеназа подвергается частичному протеолизу и превращается в ксантиноксидазу (ХО). Теперь несмотря на накопление субстрата перенос электронов на NADР+ становится невозможным, так как ХО этот процесс уже не ката-лизирует. Конечным акцептором становится кислород и опять образуются супероксид и пероксид. Постишемический поврежденный эндотелий сосу-дов, омываемый оксигенированной кровью, становится источником актив-ного кислорода и повреждается им еще больше.

Собственные защитные системы клеток, предназначенные для нейтрализа-ции активного кислорода и включающие такие вещества, как витамин Е, аскорбиновую кислоту, глютатион и другие восстановители, достаточно эффективно справляются с образованием свободных радикалов и перокси-дов при отсутствии соответствующих стрессов. Однако, неблагоприятные условия окружающей среды, разного рода стрессы и многие токсичные соединения вызывают усиленное образование этих окислителей и тогда собственных защитных сил организма может оказаться недостаточно.

В последние годы широкое распространение получили натуральные ве-щества, ингибирующие течение свободнорадикальных реакций и окисли-тельных превращений в организме человека. Более всего известны в этой области такие биофлаваноиды растительного происхождения, как кверце-тин, дигидрокверцетин, эриодиктиол

дигидрокверцетин эриодиктиол

В растениях эти вещества содержатся в виде гликозидов, в частности, гликозилированный остатками глюкозы и рамнозы по гидроксильной груп-пе пиранонового цикла кверцетин (рутин) относится к группе витаминов Р (от permeability – проницаемость). Эти вещества повышают эластичность кровеносных сосудов и снижают их проницаемость. Их рекомендуется принимать при различных заболеваниях, сопровождающихся геморраги-ческими состояниями. Особенно эффективен рутин в сочетании с аскорби-новой кислотой (препарат аскорутин). Вместе эти вещества принимают участие в регуляции образования белка соединительной ткани коллагена и в течении окислительно-восстановительных превращений.

По биологической активности к этой же группе соединений относятся и антоциановые красители, отвечающие за окраску многих цветов и плодов (шиповник, смородина, черноплодная рябина, черника). В растениях они также находятся в виде различных гликозидов. Соответствующие аглико-ны называют антоцианидинами. В качестве примера приводится формула цианидина

Сравнение структур флаваноидов и антоцианинов показывает, что они способны к взаимопревращениям.

Полифенольные соединения, к которым относятся и представленные выше витамины Р и антоциановые красители, широко распространены в расти-тельном мире. Они обладают дубящим действием, основанным на денату-рации белков, и поэтому растения используют их в качестве средств за-щиты от травоядных животных, насекомых и патогенных грибов. Вяжу-щий вкус во рту предупреждает, что денатурации подвергнутся и пищева-рительные ферменты, что сделает поедание растений и плодов с дубящими веществами совершенно бесполезным или даже опасным.

Еще одно полифенольное соединение ресвератрол, на которое обратили внимание всего лишь несколько лет тому назад, обнаружено в шкурке виноградных ягод, где он выполняет роль фитоалексина – вещества с фун-гицидными свойствами, защищающего ягоды винограда от поражения плесневыми грибками:

Поскольку поражение патогенными грибами протекает обычно во влаж-ном холодном климате, выращиваемый в северных регионах виноград бо-гаче всего этим биологически активным веществом.

Вероятнее всего именно ресвератрол (3,5,4-тригидрокси-транс-стильбен) лежит в основе так называемого «французского парадокса». Он состоит в том, что, несмотря на употребление жирной мясной пищи, французы реже страдают от сердечно-сосудистых заболеваний, чем другие европейцы. Это связывают с тем, что они чаще употребляют красное вино. Дело в том, что ресвератрол плохо растворим в воде и поэтому его очень мало в виноград-ном соке и в белом вине, которое получают сбраживанием виноградного сока. В отличие от этого технология приготовления красного вина основа-на на ферментации сока вместе со шкурками и косточками, а образую-щийся при этом спирт улучшает растворимость ресвератрола, а вместе с ним и антоциановых красителей.

Ресвератрол содержится во многих растениях, например, в эвкалипте, ели, в плодах шелковицы, в арахисе, но больше всего его в винных сортах ви-нограда. Исследования показали, что ресвератрол является эффективным антиоксидантом, средством для профилактики раковых заболеваний и соединением с эстрогенной активностью.

Соседние файлы в папке Лекции - 2006