Микросомальное окисление
Мы рассмотрели с вами процессы окисления, идущие путем дегидрирования и отдачи электронов, однако в клетках идут и окислительные процессы, связанные с присоединением кислорода к окисляемым субстратам, иначе говоря, процессы оксигенирования. Эти процессы не сопровождаются аккумуляцией энергии вся выделяющаяся свободная энергия превращается в теплоту. Поэтому вся совокупность окислительных процессов этого типа получила название СВОБОДНОЕ ОКИСЛЕНИЕ. Процессы оксигенирования идут в различных клеточных мембранах: мембранах эндоплазматической сети, мембранах митохондрий и др., но поскольку основное количество реакций оксигенирования идет в мембранах эндоплазматической сети, эти процессы обычно называют не совсем в принципе точным термином процессы микросомального окисления.
В процессах свободного окисления участвуют ферменты из группы оксигеназ: монооксигеназы (гидроксилазы) и диоксигеназы, а также цитохромы типа Цит.b5 или Цит.Р450, т.е. цитохромы, отличные от тех, которые работают в главной цепи дыхательных ферментов.
В ходе процессов микросомального окисления происходит расщепление ряда метаболитов, в том числе идет катаболизм питательных веществ. Так, при участии диоксигеназы идет начальный этап расщепления аминокислоты триптофана:
а при участии оксигеназы гомогентизиновой кислоты идет преобразование гомогентизиновой кислоты промежуточного продукта расщепления тирозина в малеилацетоацетат:
|
|
|
С помощью диоксигеназ может идти разрыв углеродуглеродных связей и в ациклических соединениях:
По такому механизму идет, например, превращение молекулы bкаротина в две молекулы ретиналя.
Реакции окисления, идущие с участием монооксигеназ, иначе реакции гидроксилирования, также участвуют в синтезе многих нужных для организма соединений. Эти реакции могут идти как в эндо плазматической сети, как например, гидроксилирование остатков пролина и лизина при синтезе коллагена в фибробластах соединительной ткани или гидроксилирование дофамина при его превращении в норадреналин в клетках мозгового вещества надпочечников. Однако реакции гидроксилирования могут идти и в мембранах митохондрий, что наблюдается, например, при синтезе стероидных гормонов в клетках коркового вещества надпочечников или желчных кислот в гепатоцитах.
Важной функцией микросомального (свободного) окисления является инактивация биологически активных соединений, тем или иным путем поступающими в клетки. Это могут быть как экзогенные токсичные соединения ксенобиотики, так и соединения, образующиеся в самом организме. Подобно рода процессы получили название детоксикации или в более общем виде биотрансформации. Кстати, инактивация многих лекарственных препаратов, являющихся по своей сути типичными ксенобиотиками, идет путем их гидроксилирования. В качестве примера можно привести реакцию гидроксилирования антифебрина:
|
|
|
В ходе подобного рода реакций, вопервых, изменяется структура соединений, в результате чего снижается их токсичность; вовторых, за счет появления дополнительных полярных группировок в молекуле улучшается их растворимость в воде, тем самым облегчается их выведение из организма; в третьих, появление в структуре соединений гидроксильных группировок облегчает их последующее участие в реакциях коньюгации следующем процессе биотрансформации.
Как известно, в гидроксилазных реакциях параллельно окислению основного соединения субстрата реакции должно окисляться еще одно соединение косубстрат. В качестве косубстратов в различных реакциях могут использоваться НАДН+Н+, НАДФН+Н+, аскорбиновая кислота, 2оксуглутарат и др. Работа гидроксилаз всегда сопряжена с работой цитохромов b5 или Р450. Косубстраты выступают в качестве восстановителей цитохромов, в свою очередь цитохромы выступают в качестве окислителей связывающихся с ними субстратов. В общем виде (самый простой вариант) фукционирование такой системы может быть представлено в следующем виде:
|
|
|
Цитохром Р450 выступает в качестве коллектора электронов, поступающих с окисляемого субстрата и НАДФН+Н+. Далее происходит передача этих электронов на кислород с последующим образованием конечных продуктов: гидроксилированного субстрата и воды. В мембранах эндоплазматической сети присутствует много различных изоферментных форм цитохрома Р450, более того, многие ксенобиотики, в том числе и лекарственные, препараты могут индуцировать синтез этого цитохрома.
3.6.Токсичность кислорода
3.6.1.Образование активных форм кислорода
Молекулярный кислород, являясь сильным окислителем, при его высоких концентрациях в вдыхаемых газовых смесях, обладает выраженным повреждающим действием. Так, при длительном использовании для дыхания чистого кислорода развивается поражение ткани легких, в тяжелых случаях заканчивающееся смертью.
В клетках из обычного молекулярноко кислорода О2 могут генерироваться его производные, обладающие гораздо более выраженными окислительными свойствами, вследствие чего они способны повреждать различные внутриклеточные структуры. Наиболее известными из них являются супероксидный анионрадикал (О2), пероксидный анион (О2), гидроксидный радикал (ОН.). Кроме того, в ходе метаболических процессов из обычного триплетного кислорода, в молекуле которого на разных молекулярных орбиталях имеется два неспаренных электрона с одинаково ориентированноми спинами, может генерироваться синглетный кислород, у которого неспаренные электроны имеют противоположно ориентированные спины. Синглетный кислород, как окислитель, также обладает повышенной агрессивностью.
|
|
|
Супероксид и пероксид образуются в результате одноэлектронного и двухэлектронного восстановления молекулы кислорода, тогда как образование двух с двойным отрицательным зарядом ионов кислорода требует присоединения к молекуле О2 4 электронов:
присоединение 1е > О2 (супероксидный анионрадикал)
присоединение 2е > О22 (пероксидный анион)
присоединение 4е > 2О2 (2 аниона с двойным отрицательным зарядом)
Супероксидный анионрадикал может возникать в клетке в ходе различных процессов:
а) при превращении гемоглобина в метгемоглобин Hb (Fe2+) + O2 Д> MetHb (Fe 3+) + O2
б) при одноэлектронном окислении KoQH2
KoQH2 + O2 > KoQH + O2 + H+
в) супероксидный анион образуется в клетке в ходе микросомального окисления в связанной с цитохромом Р450 форме, откуда возможна его утечка в окружающую среду.
г) он может образовываться в ходе одноэлектронного окисления молекулярным кислородом флавина при работе флавинзависимых дегидрогеназ, например, ксантиндегидрогеназы (ксантиноксидазы)
Пероксидный анион также образуется в живых системах, вопервых, при ферментативном обезвреживании супероксидного анионрадикала, вовторых, при действии аэробных дегидрогеназ, поскольку эти ферменты катализируют перенос на молекулу кислорода 2 атомов водорода с окисляемого субстрата.
Гидроксидный радикал (ОН.) образуется при взаимодействии супероксидного анионрадикала и пероксида водорода по схеме:
Н2О2 + О2> OH. + OH + O2
Кроме того, супероксидный анионрадикал может взаимодействовать с различными соединениями, например с радикалами жирных кислот, с образованием химически активных гидроперекисей.
3.6.2.Обезвреживание активных форм кислорода
Известно несколько вариантов механизмов обезвреживания супероксидного радикаланиона.
а). Передача «лишнего» электрона с О2 на цитохром С главной дыхательной цепи:
O2 + Цит С (Fe3+) > O2 + Цит С (Fe2+)
б). Передача «лишнего» электрона на одно из соединений антиоксидантов. Эти соединения, как правило,имеют систему сопряженных двойных связей, в связи с чем избыточная электронная плотность за счет поступления на них дополнительного электрона оказывается делокализованной. Поэтому образующиеся в результате захвата дополнительного электрона радикальные формы этих соединений обладают значительной меньшей реакционной способностью, нежели супероксидный радикаланион. К числу таких соединений относятся токоферолы (витамин Е), бетакаротин, мочевая кислота. Антиоксидантными свойствами обладают также аскорбиновая кислота, карнозин, анзерин и др., хотя механизм их действия, повидимому, иной. Кроме того, в настоящее время дискутируется вопрос об антиоксидантных свойствах холестерола.
в). Обезвреживание супероксида по реакции дисмутации с участием фермента супероксиисмутазы (СОД):
О2 + О2 + 2Н+ Д> Н2О2 + О2
Важная роль последнего механизма подчеркивается тем обстоятельством, что при пребывания человека в атмосфере с повышенным парциальным давлением кислорода (например, в барокамере) в его организме вначале увеличивается содержание активных форм кислорода, в том числе и супероксида, а в дальнейшем идет подъем активности супероксиисмутазы.
Обезвреживание пероксида также может идти несколькими путями.
а) Пероксид может разрушаться при участии фермента каталазы, имеющегося в клетках различных органов и тканей, по реакции: Н2О2 + Н2О2 > 2Н2О + О2
б) Пероксид может разрушаться в ходе реакции, катализируемой ферментом глутатионпероксидазой: Н2О2 + 2 ГлSH > Гл S S Гл + 2 Н2О
в) Пероксид может также расщепляться пероксидазами по реакции: Н2О2 + АН2 Д> 2 Н2О + Аокисл.
Повидимому, пероксидазы могут также инактивировать и органические гидроперекиси.
В целом, клетки органов и тканей располагают достаточно эффективными механизмами инактивации агрессивных форм кислорода, образующихся в ходе различных реакции клеточного метаболизма. Тем не менее, при избыточном поступлении кислорода в организм необходим контроль за содержанием этих форм кислорода в клетках, а в необходимых случаях и проведение мероприятий по предотвращению их накопления, простейшим из которых является дополнительная дача витамина Е.
2.3.Главная цепь дыхательных ферментов митохондрий
В ходе многочисленных реакций дегидрирования, происходящих как во второй фазе катаболизма, так и в цикле Кребса, образуются восстановленные формы коферментов: НАДН+Н+ и ФАДН2. Эти реакции катализируются многочисленными пиридинзависимыми и флавинзависимыми дегидрогеназами. С четырьмя такими ферментами мы познакомились при рассмотрении работы цикла Кребса, общее же их число в клетке составляет несколько сотен. В то же время пул коферментов в клетке ограничен, поэтому восстановленные формы коферментов должны «разряжаться», т.е. передавать полученные атомы водорода на другие соединения с тем, чтобы в конечном итоге они были переданы у аэробных организмов на свой конечный акцептор кислород. Этот процесс «разрядки» или окисления восстановленных НАДН+Н+ и ФАДН2 выполняет метаболический путь, известный под названием главная цепь дыхательных ферментов. Она локализована во внутренней мембране митохондрий.
Главная цепь дыхательных ферментов (в дальнейшем сокращенно ЦДФ) состоит из 3 сложных надмолекулярнных белковых комплексов, катализирующих последовательную передачу электронов и протонов с восстановленного НАДН+Н на кислород:
Первый надмолекулярный комплекс катализирует перенос 2 электронов и 2 протонов с восстановленного НАДН+Н+на КоQ с образованием восстановленной формы последнего КоQH2. В состав надмолекулярного комплекса входит около 20 полипептидных цепей, в качестве простетических групп некоторых из них входит молекула ФМН и один или несколько так называемых железосерных центров (FeS)n. Электроны и протоны с НАДН+Н+вначале переносятся на ФМН с образованием ФМНН2, затем электроны с ФМНН2 переносятся через железосерные центры на КоQ, после чего к КоQ присоединяются протоны с образованием его восстановленной формы:
Следующий надмолекулярный комплекс комплекс III также состоит из нескольких белков: цитохрома b, белка, имеющего в своем составе железосерный центр и цитохрома С1. В состав любого цитохрома входит геминовая группировка с входящим в неё атомом железа элемента с переменной валентностью, способного и принимать электрон, и отдавать его. Начиная с КоQН2 пути электронов и протонов расходятся. Электроны с КоQН2 передаются по цепи цитохромов, причем одновременно по цепи передается по 1 электрону, а протоны с КоQН2 уходят в окружающую среду.
Цитохром С оксидазный комплекс (комплекс IV) состоит из двух цитохромов: цитохрома а и цитохрома а3. Цитохром а имеет в своем составе геминовую группировку, а цитохром а3 кроме геминовой группировки в своем составе содержит еще и атом Cu. Электрон при участии этого комплекса переносится с цитохрома С на кислород.
НАД+, КоQ и цитохром С не входят в состав ни одного из описанных комплексов. НАД+ служит коллекторомпереносчиком протонов и электронов с большого ряда окисляемых в клетках субстратов. Функцию коллектора электронов и протонов выполняет также КоQ, принимая их с некоторых окисляемых субстратов (например, с сукцината или ацилКоА) и передавая электроны на систему цитохромов с выводом протоны в окружающую среду. Цитохром С также может принимать электроны непосредственно с окисляемых субстратов и передавать их далее на четвертый комплекс ЦДФ.
Так, при окислении сукцината работает сукцинат:КоQоксидаредуктазный комплекс (Комплекс II), передающий протоны и электроны с сукцината непосредственно на КоQ, минуя НАД+:
Для того, чтобы молекула кислорода превратилась в 2 иона О2, на нее должны быть перенесены 4 электрона. Принято считать, что по цепи переносчиков электронов последовательно переносится 4 электрона с двух молекул НАДН+Н+ и до принятия всех четырех электронов молекула кислорода остается связанной в активном центре цитохрома а3. После принятия 4 электронов два иона О2 связывают по два протона каждый, образуя таким образом 2 молекулы воды.
В цепи дыхательных ферментов используется основная масса поступающего в организм кислорода до 95%. Мерой интенсивности процессов аэробного окисления в той или иной ткани служит дыхательный коэффициент (QO2), который обычно выражается в количестве микролитров кислорода, поглощенных тканью за 1 час в расчете на 1 мг сухого веса ткани (мкл.час1.мг1). Для миокарда он равен 5, для ткани надпочечников 10, для ткани коркового вещества почек 23, для печени 17, для кожи 0,8. Поглощение кислорода тканями сопровождается одновременным образованием в них углекислоты и воды. Этот процесс поглощения тканями О2 с одновременным выделением СО2 получил название тканевое дыхание.
3.1.Энергетические аспекты транспорта электронов по цепи дыхательных ферментов
Электроны, а вслед за ними и протоны, движутся по дыхательной цепи от восстановленного НАДН+Н+к кислороду. Что же заставляет их двигаться? Как известно из курса общей химии, каждой паре соединений, состоящей из восстановленной и окисленной формы одного и того же вещества, соответствует определенной значение окислительновосстановительного или редокспотенциала. Так, установлено что пара НАДН+Н+/НАД+имеет значение редокспотенциала, равное 0,32 в, а значение редокспотенциала для пары О / О2 составляет +0,82 в. В таком случае между началом и концом цепи переносчиков электронов, функционирующей в митохондриях, существует разность редокспотенциалов, равная 1,14 в. Эта разность редокспотенциалов и заставляет двигаться электроны по цепи дыхательных ферментов с НАДН+Н+ на кислород.
Движение электронов по градиенту редокспотенциала сопровождается выделением энергии, причем количество выделяющейся энергии можно рассчитать по формуле:
DGo = n.F.DEo, где:
DGo количество выделяющейся свободной энергии; n количество переносимых электронов при окислении того или иного соединения (при расчете выделения свободной энергии в цепи дыхательных ферментов «n» равняется 2);F число Фарадея, равное 23,062 ккал/моль.вольт;DEo значение разности редокспотенциалов между окисляемым веществом и окислителем. Подставив в формулу значение разности редокспотенциалов между началом и концом цепи дыхательных ферментов, мы получим количество выделившейся энергии при окислении 1 моля НАДН+Н+:
DGo = 2. 23,062. 1,14 = 52,6 ккал/моль.
Зная значения редокспотенциалов для каждого из промежуточных переносчиков цепи дыхательных ферментов, можно рассчитать количество энергии, выделяющееся на любом участке дыхательной цепи. Так, значение редокс потенциала для пары КоQ/КоQН2 составляет +0,04 в, а для пары цитохром Свосст./цитохром Сокисл. +0,25 в. Тогда разность редокс потенциалов на уровне I комплекса составит 0,36 в, а количество выделяющейся энергии 16,6 ккал; разность редокспотенциалов на уровне III комплекса составит 0,21 в, а выделение энергии 9,7 ккал; на уровне IV комплекса эти величины составят соответственно 0,57 в и 26,3 ккал.
Остается разрешить один вопрос почему окисляемые субстраты в одних случаях передают свои электроны на НАД+, в других случаях на КоQ, наконец, в третьих случаях на цитохром С. Ответ достаточно прост это зависит от значения редокспотенциала окисляемого субстрата. Если значение редокспотенциала окисляемого субстрата ниже, чем 0,32 в, электроны и протоны с такого субстрата переносятся на НАД+ (изоцитрат, глутамат, малат и др.); если значение его редокспотенциала выше, чем 0,32 в, но ниже 0,04 в, то электроны с этого субстрата переносятся на КоQ (сукцинат, 3фосфоглицерол, ацилКоА и др.); наконец, при значении редокспотенциала окисляемого субстрата выше 0,04 в электроны с него переносятся на цитохром С (аскорбат).
Дата добавления: 2015-12-20; просмотров: 46; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!