Типы окисления

Тема: Типы окисления Понятие об оксидазном типе окисления

80% кислорода используется на оксидазный тип – это первый тип окисления, т.е. когда атом кислорода восстанавливается 2 электронами, или молекула кислорода 4-мя электронами. Оксидазный тип окисления служит источником АТФ.

Оксигеназный тип окисления

20% О2 используется на другие типы окисления. II) Больше половины оставшегося кислорода используется на оксигеназный тип окисления, который идет по 2 путям – монооксигеназному и диоксигеназному. Монооксигеназный путь происходит в митохондриях и микросомах. В митохондриях происходит гидроксилирование (при участии НАДФН2, ЦхР450). При гидроксилировании образуется окисленный продукт, вода и НАДФ. Пример – формулами — фенàтир.

При митохондриальном гидроксилировании также происходит образование активных форм витамина Д, ХСН, ЖеЧ, КС.

Второй вид реакций монооксигеназного пути окисления объединяется под названием микросомальное окисление. Этот вид реакций происходит в микросомах, в основном в печени. В этом виде окисления участвует мультиферментная мембраносвязанная система, включающая НАДФН2, особые ФП и цхР450. В субстрат включается один атом кислорода. Второй атом О2 используется для образования воды. Этот тип окисления является защитной реакцией организма, т.к. происходит окисление различных чужеродных веществ. При этом они переходят в безвредные или становятся более растворимыми в воде и легко выводяться из организма

При диоксигеназном пути оксигеназного типа под влиянием оксигеназпроисходит включение обоих атомов кислорода в субстрат. Обычно это происходит с веществами, имеющими ненасыщенные связи по месту их разрыва, например, ненасыщенные жирные кислоты — S + О2à SО2

Пероксидный тип окисления. Понятие об АОС. или перекисный, или свободно-радикальный — происходит при одноэлектронном восстановлении О2. Этому типу окисления подвергаются ПНЖК в составе ФЛ мембран. ПОЛ инициируется под действием АФК АФК делятся на 2 группы:

1 группа – свободные радикалы: супероксиданион радикал, гидроксипероксирадикал (НОО•), гидроксильный радикал, радикал оксида азота, алкилоксирадикал (LO•), липопероксирадикал (LOO•)

2 группа – нерадикальные вещества: гипохлорит-анион, перекись водорода, синглетный кислород (1О2), озон (О3), железокислородный комплекс (Fe++—О2) и ГПЛ (LOOH).

АФК образуются при взаимодействии кислорода с металлами переменной валентности (реакция Фентона), например, — Fe++ + О2 à Fe+++ + •О2

Fe++ + Н2О2 à Fe+++ + •ОН + ОН––

Н2О2, взаимодействуя с супероксиданионом-радикалом, может образовать гидроксильный радикал – Н2О2 + •О2 à •ОН + ОН–– + О2

АФК в больших количествах опасны для клеток. Так, супероксиданион может вызвать деполимеризацию ГАГ, окисление адреналина и тиолов. Перекись водорода токсична, хотя механизм токсичности не ясен. Известно, что избыток перекиси водорода вызывает окисление тиогрупп белков, может приводить к образованию гидроксильного радикала. Главная опасность АФК – инициация ПОЛ.

СРО носит цепной характер - ПНЖКà радикалы жирных кислотàлипопероксидный радикалàГПЛ(ROOH)àоксикислоты, предельные УГД, МДА

ПОЛ – главный путь использования ПНЖК. Продукты ПОЛ необходимы при синтезе некоторых гормонов и белков (например, в синтезе тироидных гормонов), образования простагландинов (ПРГ), для функционирования фагоцитов, для регуляции проницаемости и состава липидов мембран, скорости пролиферации клеток и их секреторной функции.

Однако следует учесть, что увеличение скорости ПОЛ и концентрации продуктов ПОЛ приводит к повреждению клетки и ее смерти, например, продукты ПОЛ, являясь высокотоксичными повреждают ДНК и РНК, вызывают мутации. Продукты ПОЛ вызывают денатурацию белков, разобщают БО и ОФ, нарушают структуру мембран.

Скорость ПОЛ контролируется АОС. АОС подразделяется на ферментную и неферментную. К первой относятся СОД, которая переводит супероксидный радикал в менее токсичную перекись водорода – показать на доске: 2.О2 + 2Н+ à Н2О2 + О2. В этой реакции СОД принимает один электрон от супероксиданион-радикала за счет входящих в ее состав железа или марганца. При этом эти металлы восстанавливаются, а супероксиданион-радикал окисляется в триплетный кислород (О2):

•О2 + •О2 + 2Н+ à Н2О2 + О2

Восстановленная форма СОД отдает один электрон супероксиданион-радикалу и этот радикал восстанавливается, образуя 2–О2, который взаимодействует с водородом и дает перекись водорода:

2–О2 + 2Н+ à Н2О2

Каталаза в организме млекопитающих находится в большом количестве в эритроцитах, печени и почках. В печени и почках находится в пероксисомах. Этот фермент разрушает Н2О2 до воды и молекулярного кислорода. Кроме перекиси водорода этот фермент расщепляет низкомолекулярные алкилгидропероксиды (СН3ООН) до воды и спиртов. Также этот фермент подобно пероксидазе расщепляет низкомолекулярные карбоновые кислоты и первичные спирты до воды и окисленных продуктов.

Третий фермент АОС – глутатионпероксидаза (ГПО). В нормальных (физиологических) условиях перекись водорода расщепляется не каталазой, а пероксидазой. В состав этого фермента входит селен и бывает неселеновая ГПО. Последняя называется глутатион-S-трансфераза (GST).

Селеновая ГПО действует при участии восстановленного глутатиона, восстанавливая ГПЛ до легко выводимых с мочой оксикислот. При этом образуется вода, окисленный глутатион и легко выводимые оксикислоты (LOH): LOOH + 2GSH à GSSG + LOH + H2O

Селеновая ГПО расщепляет не только ГПЛ и перекись водорода, но и различные алкилокси радикалы (LO•) и липопероксидные радикалы (LOO•) до воды и соответствующих спиртов.

Неселеновая ГПО не действует на перекись водорода, а только на ГПЛ и помимо пероксидазной активности обладает трансферазной активностью – участвуя в обезвреживании эпоксидов с помощью сульфатов.

Кроме ГПО имеются и другие пероксидазы – лактопероксидаза (молоко, слюна, слеза), миелопероксидаза (нейтрофилы), тиреопероксидаза (щитовидная железа), утеропероксидаза (матка), интестинальная пероксидаза (тонкий кишечник) и т.д. Все эти пероксидазы расщепляют перекись водорода до атомарного кислорода и воды. Атомарный кислород окисляет тиоцианаты, галогены и ароматические соединения. При этом образуются сильные бактерицидные агенты.

4-ым ферментом АОС является глутатионредуктаза. В ее состав входит витамин В2, поэтому можно отнести и к ФП. Этот фермент восстанавливает окисленный глутатион GSSG + НАДФН2 à НАДФ + 2GSH

Клетки живых организмов обычно содержат значительные количества восстановленного и намного меньшее количество окисленного ГЛТ. В клетках могут также присутствовать смешанные дисульфиды восстановленного ГЛТ с белками (30% от восстГЛТ).

К неферментной АОС относятся жирорастворимые витамины, каротиноиды, витамин С, витамин Р, витамин В2, карнозин (нейтрализует гидроксильный радикал), ферритин (связывает двухвалентное железо, которое является источником электронов для образования АФК), церулоплазмин (связывает двухвалентную медь, что уменьшает возможность ее окисления и образования супероксиданион-радикала, а также окисляет двухвалентное железо, выполняя роль феррооксидазы), металлотионеины (связывают медь и другие металлы, выполняя не только антиоксидантную функцию, но и антитоксическую), таурин (нейтрализует гипохлорит-анион).

Пероксидазный тип окисления происходит при участии ряда веществ, обладающих аутооксидабельностью. К таким веществам относятся некоторые ФП (ксантиноксидаза и др.) – ФПН2 + О2 à ФП + Н2О2.

Этот тип окисления является побочным путем окисления, обычно наблюдается при выходе из строя цитохромной системы или когда субстрат не окисляется другим путем, например, мочевая кислота.

1. Микросомальное окисление На его долю приходится 5-10 % кислорода, поступающего в организм. АТФ во внемитохондриальном окислении никогда не образуется.

Существуют 2 типа внемитохондриального окисления.

Окисление оксидазного типа. Ферменты - оксидазы. По строению являются металлофлавопротеинами. Содержат металлы с переменной валентностью - железо(Fe), медь(Cu), молибден(Mo). Находятся оксидазы в пероксисомах - особых образованиях эндоплазматического ретикулюма, а также в наружной мембране митохондрий. Отнимают водород от субстрата и передают его на кислород с образованием Н2О2 - перекиси водорода. Оксидаз в клетке немного, и субстратов для них тоже мало. Эти ферменты обычно обладают широкой субстратной специфичностью и невысокой активностью. Моноаминоксидазы (МАО) - окисляют гормон адреналин и некоторые биогенные амины. Диаминоксидазы (ДАО) - окисляют гистамин и другие диамины и полиамины.

Оксидаза L-аминокислот.

Оксидаза D-аминокислот.

Ксантиноксидаза - окисляет пуриновые азотистые основания (аденин и гуанин) с участием воды. Биологическое значение окисления по оксидазному типу: окисляются трудноокисляемые циклические вещества; быстрая инактивация БАВ - биологически активных веществ; образующаяся Н2О2 оказывает бактерицидное действие - разрушает клеточные мембраны фагоцитированных бактериальных клеток.

Окисление оксигеназного типа.

Происходит на мембранах эндоплазматического ретикулума и во внутренней мембране митохондрий.

Ферменты - оксигеназы. Они активируют молекулу кислорода, а затем внедряют один или два атома кислорода в молекулу окисляемого вещества.

Оксигеназы, включающие один атом кислорода в окисляемое вещество, называются монооксигеназами (гидроксилазами).

Оксигеназы, включающие два атома кислорода в окисляемое вещество, называются диаксигеназами.

Оксигеназы работают в составе мультиферментного комплекса, встроенного в мембрану.

Мультиферментный комплекс состоит из 3-х компонентов.

Флавиновые дегидрогеназы. Содержат ФАД. Наиболее обычный субстрат для них - НАДФН2.

Железо-серный белок. Содержит негеминовое железо с переменной валентностью.

Цитохром Р450. Его строение отличается от строения цитохромов цепи митоходриального окисления.

Мультиферментный комплекс формирует цепь переноса электронов и протонов, в конце ее происходит активация кислорода. Активированный кислород присоединяется к активному центру цитохрома Р450, и на него переносятся электроны, а затем этот кислород включается в молекулу субстрата.

Примеры реакций оксигеназного типа окисления.

Монооксигеназы (гидроксилазы) включают в окисляемое вещество один атом кислорода из молекулы О2, а другой атом кислорода соединяется с двумя атомами водорода, отнятыми у какого-либо восстановителя (обычно - НАДФН2, реже - у других: например, у витамина "С"). Источник водорода - НАДФН2.

Аскорбиновая кислота (витамин "С"), как восстановитель, участвует в работе пролингидроксилазы; этот фермент включает гидроксильные группы в аминокислотные остатки пролина в молекуле проколлагена. Поэтому зрелый коллаген приобретает большую механическую прочность. При недостатке (дефиците) витамина "С" в организме эти реакции протекают медленнее - соединительная ткань становится менее прочной.

Высокоспецифичные гидроксилазы, включающие ОН-группу в молекулу холестерина, принимают участие в образовании стероидных гормонов (половых, коры надпочечников) - эти реакции идут во внутренней мембране митохондрий.

Малоспецифичные гидроксилазы. Наиболее часто окисляют циклические гидрофобные вещества, чужеродные для организма - ксенобиотики (лекарственные препараты; компоненты растений; вещества, которыми загрязнена окружающая среда). Биологический смысл этих реакций: гидроксилирование ксенобиотика делает его более растворимым, ускоряется его выведение из организма - многие из этих реакций протекают в печени (детоксикация).

Диоксигеназы включают оба атома молекулы кислорода в окисляемое вещество. Таким путем окисляются циклические трудноокисляемые структуры, реакции идут с разрывом цикла.

Активные формы кислорода.

Кислород - потенциально опасное вещество. Молекулярный кислород О2 и кислород в составе молекулы Н2О - стабильные соединения, химически инертные. Они стабильны, потому что внешняя электронная орбита укомплектована электронами. Полное восстановление кислорода происходит на заключительной стадии МтО. Химические соединения, в составе которых кислород имеет промежуточную степень окисления, имеют высокую реакционную способность и называются активными формами кислорода.

Эти соединения образуются:

в монооксигеназных реакциях - супероксид-анион, который может отщепляться от активного центра цитохрома Р450;

в оксидазных реакциях - образуется пероксидный анион (присоединяя протоны, превращается в перекись водорода);

в дыхательной цепи МтО может происходить утечка электронов от каких-либо переносчиков - это явление наблюдается при реоксигенации ишемических тканей;

активные формы кислорода могут легко переходить друг в друга. Примеры таких переходов изображены на рисунках.

Донорами электронов могут являться металлы переменной валентности.

Наиболее химически активным соединением является гидроксильный радикал - сильнейший окислитель. Время его жизни очень короткое (1 миллиардная доля секунды), но за это время он мгновенно вступает в цепные окислительные реакции в месте своего образования.

Супероксиданион и перекись водорода - более стабильные вещества, могут диффундировать от места образования, проникать через мембраны клеток.

Гидроксильный радикал может вызывать неферментативное окисление аминокислотных остатков в белке (гистидина, цистеина, триптофана) - так могут инактивироваться многие ферменты, нарушается работа транспортных белков, происходит нарушение структуры азотистых оснований в нуклеиновых кислотах - страдает генетический аппарат клеток. Окисляются жирные кислоты в составе липидов клеточных мембран - нарушаются физико-химические свойства мембран - проницаемость, рецепторная функция, работа мембранных белков.

Особенностью реакций с участием гидроксильных радикалов является их цепной характер (гидроксильный радикал не исчезает, а передается).

Активные формы кислорода опасны для клетки, поэтому существуют защитные механизмы (например, в фагоцитах количество образовавшейся перекиси водорода увеличивается только в момент фагоцитоза). Инактивация активных форм кислорода в клетках происходит под действием антиоксидантной системы.