Ферментативная антиоксидантная система

Кислород служит конечным акцептором электронов при аэробном дыхании и поэтому необходим всем аэробным организмам. Кислород является токсичным для всех анаэробных организмов, но О₂является токсичным и для аэробных организмов. Как уже отмечалось выше, активные формы кислорода могут вызывать различные свободнорадикальные процессы и модифицировать и разрушать мембраны и другие структуры клеток. Поэтому у большинства организмов имеются ферменты, способные защищать клетку от токсичных продуктов, которые образуются из О₂. Данная группа ферментов называется антиоксидантной, антирадикальной ферментной системой.

В биологических средах следует различать три вида активации кислорода в зависимости от числа электронов, одновременно переносимых на молекулу кислорода:

1. О₂ + 4е → О^2- + О^2-

(2) О₂ + 2е → О₂^2-

(3) О₂+1е → О₂^-

Реакцию (1) катализирует цитохромоксидаза – конечный фермент электрон – транспортной цепи. Здесь одновременно происходит перенос четырёх электронов, и в результате получается два иона О^2-, каждый из которых при взаимодействии с двумя протонами образует воду. Из всех ферментов только цитохромокисдаза и некоторые ферменты, содержащие медь (синие ферменты), такие как тирозиназа, лаказа способны переносить сразу четыре электрона на О₂.

Реакция (2) характерна для некоторых ферментов, содержащих флавин (глюкозооксидаза, оксидазы аминокислот, ксантиноксидаза). Эти ферменты одновременно переносят два электрона и восстанавливают О₂до иона пероксида О₂^2-, который реагируя с протонами, образует перекись водорода. Она для клетки очень токсична, так как способна окислятьSH–группы белков. Сам по себе пероксирадикал кислорода способен запустить перекисное окисление липидов. Поэтому, в клетках существуют ферменты, которые оказывают защитное действие это каталазы и пероксидазы.

Каталаза это фермент, который в качестве простетической группы содержит протопорфирин. Основная реакция каталазы превращения перекиси водорода в воду и в молекулу кислорода:

2Н₂О₂ →→→ 2Н₂О + О₂

Данная реакция является каталазной, но в некоторых случаях данный фермент способен катализировать реакции окисления перекисью водорода разнообразных эндогенных и экзогенных субстратов (пероксидазная реакция). Каталазная активность преобладает при высоких концентрациях пероксида водорода, а при низких его концентрациях преобладает пероксидазная активность.

Помимо каталазы в антиперекисной защите играет фермент глутатионпероксидаза. Существуют две формы данного фермента: селенсодержащая глутатион пероксидаза и селен – независимая глутатионпероксидаза. Селенсодержащая глутатионпероксидаза катализирует следующую реакцию:

Н₂О₂ + 2 GSH →→→ GSSG + 2H₂O

Она преобразует перекись водорода до воды с образованием окисленной формы глутатиона.

Селен – независимая глутатионпероксидаза в основном превращает органические перекиси в частности перекиси жирных кислот. Реакция протекает по следующей схеме:

ROOH + GSH →→→ ROH + GSSG

По мере того как, количество пероксида водорода резко снижается, в клетке накапливается большое количество окисленного глутатиона. Одновременно с этим процессом происходит восстановление глутатиона с помощью НАДФН с участием фермента глутатионредуктазы. Необходимый для реакции НАДФН генерируется преимущественно в реакциях глюкозомонофосфатного шунта, в частности с помощью фермента глюкозо – 6 – фосфатдегидрогеназы.

В реакции (3), катализируемой многими оксидазами (ксантинокисдазой, альдегидоксидазой, НАДН – оксидазой и др.), переносится только один электрон. При этом образуется супероксидный радикал О₂^-, который является очень реакционноспособным. Он способен также реагировать с перекисью водорода с образованием ОН^-радикала тоже очень высокореакционного продукта. Реакция протекает по следующей схеме:

О₂^- + Н₂О₂ + Н₂ → О₂ + Н₂О + ОН^.

Для разрушения супероксидного радикала в клетках всех организмах существует фермент, который называется супероксиддисмутаза. Она катализирует следующую реакцию:

2О₂^- + 2Н⁺ →→ Н₂О₂ + О₂

Супероксиддисмутаза это ключевой фермент, который превращает супероксид анион в другие активные формы кислорода и контролирует тем самым скорость перекисного окисления липидов. Хотелось бы отметить, что без участия супероксиддисмутазы супероксид анион способен превращаться в перекись водорода и в самый токсичный высокореакционный продукт синглетный кислород ( ^‘O₂ ).

Фермент был открыт в 1969 году. Он встречается у всех организмов, которые потребляют кислород. Все супероксиддисмутазы являются металлопротеинами. Существуют три вида СОД: Медь – и цинк содержащие; железо – содержащие; марганец- содержащие ферменты. Медь – цинк содержащие встречаются в цитозоле всех эукариот; Марганец- содержащая характерна для прокариот и ещё она найдена в митохондриях эукариот; Железо – содержащая самая примитивная и найдена только у прокариот. СОД является самым первым звеном вместе с витамином Е и аскорбатом в инактивировании свободных радикалов, а каталаза и глутатионпероксидазы являются вторым звеном обезвреживания окислительных продуктов, таких как перекись водорода и органические гидроперекиси и перкиси жирных кислот. Окислительная способность перекиси водорода в 15 раз ниже, чем супероксид аниона. Таким образом, мы видим, что клетка при помощи этой системы сохраняет свою целостность.