ЛЕКЦИЯ № 5 Биологическое окисление-2: Оксигеназные, пероксидазные и
biohimiya._lekciya_5._biologicheskoe_okislenie_2._2016.ppt
- Размер: 510.0 Кб
- Автор:
- Количество слайдов: 42
Описание презентации ЛЕКЦИЯ № 5 Биологическое окисление-2: Оксигеназные, пероксидазные и по слайдам
ЛЕКЦИЯ № 5 Биологическое окисление-2: Оксигеназные, пероксидазные и радикальные пути использования кислорода Екатеринбург, 2016 г. Дисциплина: Биохимия Лектор: Гаврилов И. В. Факультет: лечебно-профилактический, Курс: 2 ФГБОУ ВО УГМУ Минздрава России Кафедра биохимии
план 1. Оксигеназные реакции • Монооксигеназные реакции • Диоксигеназные реакции. 2. Радикальные и пероксидазные реакции
Пути использования кислорода. Синтез АТФ Синтез новых веществ Инактивация органических соединений Разрушение клеток, вирусов. Клеточное пищеварение. Регуляция метаболизма
1. Оксигеназный путь использования О 2 • Синтез новых веществ (митохондрии) • Обезвреживание ксенобиотиков и токсичных метаболитов (гладкий ЭПР) RCH 3 RCH 2 -OH RCHO RCOOHO O CH CH CHOO O+ Диоксигеназы. Монооксигеназы CH CH
Ксенобиотики – чужеродные для организма вещества, которые он не может использовать для собственных нужд. 1. Полезные – лекарства-антибиотики; 2. Безвредные – некоторые газы (азот, гелий и т. д); 3. Вредные – неорганические и органические вещества. Токсичные метаболиты – вещества, участвующие в метаболизме и токсичные в высоких концентрациях. • Некоторые карбоновые кислоты (фенилаланин, тирозин, гомогентизиновая кислота, 5 -АЛК) • Альдегиды (муравьиный, уксусный и т. д) • Кетоны (кетоновые тела) • Билирубин • и т. д.
1. химические элементы (ртуть, свинец, кадмий, др. ); 2. радионуклиды; 3. Пестициды; 4. нитраты, нитриты и нитрозосоединения; 5. вещества, применяемые в животноводстве; 6. полициклические ароматические и хлорсодержащие углеводороды; 7. диоксины и диоксинподобные вещества; 8. метаболиты микроорганизмов. Классификация загрязнителей продовольственного сырья и продуктов питания:
Биотрансформация ( Bios — жизнь, transformatio — превращение, видоизменение) — совокупность химических превращений ксенобиотиков ( xenos — чужой, bios — жизнь), и токсичных метаболитов в организме, подготавливающих их выведение. Значение биотрансформации : перевод ксенобиотиков в полярные водорастворимые соединения, которые выводятся из организма. Как правило, происходит снижение токсичности.
Локализация биотрансформации 90 -95% всех чужеродных липофильных веществ подвергается биотрансформации в гладком эндоплазматическом ретикулуме клеток печени. 5 -10% инактивируется в кишечнике, почках, легких, коже, плазме.
Виды биотрансформации Метаболическая трансформация Реакции — окисления — восстановления — гидролиза образуются функциональные группы -ОН, -СООН, -NH 2 , -SH и др. Окисление идет с участием монооксигеназной системы ЭПР. Увеличивается растворимость в воде и как правило снижается токсичность Конъюгация Реакции присоединения к ксенобиотикам химических групп: — метилирование — ацетилирование — сульфатирование — глюкуронирование и др. Образуются гидрофильные малотоксичные конъюгаты, которые легко выводятся.
Пути биотрансформации в организме Метаболическая трансформация ксенобиотики Конъюгация Выведение
Монооксигеназные реакции: включение в молекулу одного атома кислорода Реакция Схема реакции Пример Гидроксилирование RH ROH Лидокаин, барбитураты Сульфоокисление R-S-R` R-SO-R` Аминазин Окислительное дезаминирование RNH 2 R=O + NH 3 Гистамин Окислительное дезалкилирование по азоту, кислороду, сере RNHCH 3 RNH 2 + H 2 C=O ROCH 3 ROH + H 2 C=O RSCH 3 RSH + H 2 C=O Морфин, кодеин, атропин Эпоксидирование R-CH=CH-R` R-CH-CH-R` O Алкены
А. Цепь НАДФН 2 -Р 450 редуктаза–Цитохром Р 450 ÍÀÄÔÍ2 ÍÀÄÔ+ ÔÀÄ ÔÌÍ Fe 2+/3+ ÍÀÄÔÍ2 -ðåäóêòàçàöèòîõðîì Ð 450 2Í+ + Î2 — Î2 Í2Î RHROH e- öèòîïëàçìà ãëàäêèé ÝÏÐ • Катализируются микросомальными монооксигеназами печени с участием О 2 • Субстратами являются гидрофобные вещества экзогенного (лекарства, яды и т. д) и эндогенного (стероиды, желчные кислоты, жирные кислоты, простагландины, лейкотриены, биогенные амины и т. д. ) происхождения 1. Микросомальные монооксигеназные системы.
Пример реакции гидроксилирования Фенобарбитал. NH N C 2 H 5 HH O O O OH O 2 Н 2 ОНАДФН+Н НАДФ • Открыто 150 генов, кодирующих различные изоформы цитохрома Р 450 у животных, растений, грибов и бактерий. • Каждая из изоформ Р 450 имеет много субстратов и отличается от других изоформ Р 450 только белковой частью
Б. Цепь НАДН 2 -цитохром b 5 редуктаза – Цитохром b 5 – стеароил-Ко. А-десатуразаÍÀÄÍ2 ÍÀÄ+ ÔÀÄ ÍÀÄÍ2 -ðåäóêòàçàÄåñàòóðàçà 2Í+ + Î2 -Î2 Í2Î R—CH 2 —CO-SKo. A e- öèòîïëàçìà ãëàäêèé ÝÏÐ R—CHOH-CH 2 —CO-SKo. A R—CH=CH—CO-SKo. A Í2Î Fe 2+/3+ öèòîõðîì b 5 e- Î2 — Fe. S ñòåàðîèë-ÊîÀ Àëåíîèë-ÊîÀ Цитохром b 5 может передавать свои электроны на различные ферменты (цитохром Р 450, Стеароил-Ко. А-десатуразу и т. д. ), образуя различные ЦПЭ, при этом он участвует в десатурации и элонгации жирных кислот, в синтезе холестерина, плазминогенов и церамида.
Биологическая роль микросомального окисления: • Инактивация ксенобиотиков, т. е. уменьшение их фармакологической активности и токсичности. • Повышение активности ксенобиотиков (пролекарства). • Образование токсичных метаболитов – «летальный синтез» . Пример: метиловый спирт окисляется в формальдегид и муравьиную кислоту. Хлороформ, средство для общего наркоза, превращается в боевое отравляющее вещество – фосген ( CHCl 3 Cl 2 C=O).
2. Митохондриальные монооксигеназные системы ÍÀÄÍ2 ÍÀÄ+ ÔÀÄ Fe 2+/3+ ÍÀÄÍ2 -ðåäóêòàçàÀäðåíîäîêñèí 2Í+ + Î2 -Î2 Í2Î RH e- Ìàòðèêñ íóòðåííÿÿ ìåìáðàíà ROH Fe 2 S 2 öèòîõðîì P 450 e- Î2 — локализованы на внутренней поверхности внутренней мембране митохондрий и катализируют высокоспецифичные реакции • Митохондриальные монооксигеназные системы: • в коре надпочечников, семенниках, яичниках и плаценте участвуют в синтезе стероидных гормонов из холестерина; • в почках участвуют в синтезе 1, 25 -диоксихолекальциферола (Витамин Д 3) из 25 -гидроксихолекальциферола; • в печени участвуют в синтезе желчных кислот из холестерина; НАДФН 2 — редуктаза
Факторы, влияющие на активность ферментов биотрансформации Есть соединения, которые индуцируют скорость синтеза микросомальных ферментов – барбитураты, спирты, кетоны, стероиды, ароматические углеводороды. Некоторые вещества угнетают активность цитохрома Р 450 и замедляют метаболизм ксенобиотиков – фторотан, тетрациклин, эритромицин, эстрогены, левомицетин, биофлаваноиды сока грейпфрута.
Диоксигеназные реакции Диоксигеназы это ферменты, которые включают в субстрат оба атома молекулы кислорода: • Таким путем окисляются циклические трудноокисляемые структуры, реакции идут с разрывом цикла. • Диоксигеназные реакции протекают на цитоплазматической поверхности гладкого ЭПР. • Гомогентизатдиоксигеназа печени, содержит Fe 2+, участвует в катаболизме тирозина: OH OH C H 2 COOHO OH C H 2 COOHHOOC + O 2 Ãîìîãåíòèçèíîâàÿ êèñëîòàÔóìàðèëàöåòîàöåòàò ãîìîãåíòèçèíäèîêñèãåíàçà Ôóìàðàò Àöåòîàöåòàò òèð
L-триптофандиоксигеназа печени, содержит гем, участвует в катаболизме триптофана: N H H 2 C H C C O O H N H 2 N H O H 2 C H C C O O H N H 2 O H+ O 2 ÒðèïòîôàíÔîðìèëêèíóðåíèí ÐÐÍÀÄ òðèïòîôàíäèîêñèãåíàçà
ПЕРОКСИДАЗНЫЙ И РАДИКАЛЬНЫЙ ПУТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ КИСЛОРОДА • Химические соединения, в составе которых кислород имеет промежуточную степень окисления, имеют высокую реакционную способность и называются активными формами кислорода (АФК). • К активным формам кислорода относятся свободные радикалы кислорода и перекиси, синглетный кислород. • Свободный радикал — свободный атом или частица с неспаренным электроном.
Образование АФК Соединения О + высокая энергия АФК Рентген УФИ Температура Г омолитический разрыв связей под действием высокой энергии (УФ-излучения, рентген и др. ). Пример, радиолиз воды с образованием Н 2; Н 2 О 2 и свободных радикалов: Н·, НО ∙ , О·. На солнце фотостарение кожи.
Основная часть АФК образуются в не ферментативных и ферментативных реакциях в результате последовательного присоединения е — к кислороду 1. О 2 + 1 е — → О ∙ 2 супероксидный анион-радикал (˙О: : О: ). 2. О ∙ 2 +1 е — → О 2 — 2 пероксидный анион (: О: ), он быстро протонируется О 2 — 2 + 2 Н + → Н 2 О 2 (Н: О: Н) 3. Н 2 О 2 + 1 е — → НО ∙ + ОН — гидроксильный радикал, ОН — протонируется с образованием воды ОН — + Н + → Н 2 О 4. ОН ∙ + 1 е — → Н 2 О (Н: О: Н)Соединения О + е- АФК
О=О
Неферментативные реакции образования АФК • Электроны, необходимые для образования АФК могут давать: • 1). Металлы переменной валентности. • Hb ( Fe 2+ ) + O 2 → Met. Hb ( Fe 3+ ) + О ∙ 2 • H 2 O 2 + Fe 2+ → Fe 3+ + HO — + HO · (реакция Фентона) • HOCl + Fe 2+ → Fe 3+ + Cl — + HO · (реакция Осипова) • 2). Радикалы. АФК, обмениваясь е- , легко переходят друг в друга: О ∙ 2 + Н 2 О 2 → О 2 + НО ∙ + ОН —
Ферментативные реакции образования АФК 1. В ЦОФ: Q + 1 е — → НQ∙ ( семихинон), при реоксигенации ишемических тканей он может взаимодействовать с О 2 , образуя супероксидный анион-радикал: HQ ∙ + O 2 → Q + О ∙ 2 + H + ; 2. в реакциях МСО е — с Р 450 переходит на О 2 с образованием супероксидного анион-радикала, который иногда теряется с активного центра. 3. Аэробные дегидрогеназы (ФАД-зависимые оксидазы) переносят е — и Н + с субстрата на О 2 → Н 2 О 2. Примеры: оксидазы аминокислот, супероксиддисмутаза, оксидазы пероксисом.
Первичные радикалы Название радикала Структура радикала Образова ние радикала Биологическая роль радикала Супероксид ·OO — НАДФН оксидаза Антимикробная защита Нитроксид ·NO NO- синтаза Фактор расслабления сосудов Убихинол ·Q Дыхатель ная цепь МХ Переносчик электронов
Вторичные радикалы Название радикала Структура радикала Образуется в реакции Радикал гидроксила ·OH Fe 2+ + HOOH → Fe 3+ + HO — +·OH Fe 2+ + Cl. O — + H + → Fe 3+ +Cl — + ·OH Липидные радикалы LO· L· LOO· Fe 2+ + LOOH → Fe 3+ + HO — + LO· + LH → LOH + L· L· + O 2 → LOO·
Использование АФК в организме 1. Иммунная система. АФК используются фагоцитами — тканевыми макрофагами, моноцитами и гранулоцитами крови для разрушения бактерий, вирусов и онкоклеток. Фагоциты с участием НАДФН 2 -оксидазы выделяют супероксидный анион-радикал: НАДФН 2 + 2 O 2 → НАДФ + + 2 О∙ 2 + 2 Н+ Супероксиддисмутаза (СОД) превращает супероксидный радикал в перекись водорода: 2 О ∙ 2 + 2 H+ → H 2 O 2 + O 2 Под действием миелопероксидазы H 2 O 2 , превращается в гипохлорит – соединение, разрушающее стенки бактериальных клеток: H 2 O 2 + Cl- → H 2 O + Cl. O-. 2. Поддержание гомеостаза. Эйказаноиды – медиаторы воспаления 3. Внутриклеточное пищеварение. В пероксисомах образуются АФК. Когда пероксисомы сливаются с фагосомами, АФК обеспечивают внутриклеточное пищеварение.
Повреждающее действие АФК в организме Радикалы гидроксила химически исключительно активны и вызывают повреждение 1. белков, 2. нуклеиновых кислот 3. и липидов биологических мембран.
ПОНЯТИЕ СРО ПОЛ Субстраты ПОЛ – полиненасыщенные ЖК • Линоленовая кислота — CH 3 (CH 2 CH=CH)3 (CH 2 )7 COOH. • Арахидоновая кислота , витамин F, CH 3 (CH 2 )4 (CH=CHCH 2 )4 (CH 2 )2 COOH и др.
C H 2 Ñ Î Î Í H 2 O H * C C O O HC H 2 C H * Ñ Î Î ÍH Î * Ï î ë è í å í à ñ û ù å í í à ÿ æ è ð í à ÿ ê è ñ ë î ò à Ð à ä è ê à ë ï î ë è í å í à ñ û ù å í í î é æ è ð í î é ê è ñ ë î ò û Ä è å í î â û å ê î í ü þ ã à ò û æ è ð í û õ ê è ñ ë î òC H 2 H C Ñ Î Î Í O O * à è ä ð î ï å ð å ê è ñ ü æ è ð í î é ê è ñ ë î ò û Î2è í è ö è è ð î â à í è å 1 0 -6 ñ å ê ï å ð î ê ñ è ä í û é ð à ä è ê à ë æ è ð í î é ê è ñ ë î ò û C H 2 H C Ñ Î Î Í O O H R — C O O H R * — C O O HÎ ê è ñ ë å í è å í î â î é Æ Ê è ç î ì å ð è ç à ö è ÿ C H 2 H C Ñ Î Î Í O *H O * ñ ï î í ò à í í û é ð à ñ ï à ä F e 2+È í ä ó ö è ð î â à í í û é ð à ñ ï à ä F e 3+ O H — à è ä ð î ê ñ è ë ü í û é ð à ä è ê à ë æ è ð í î é ê è ñ ë î ò û C H 2 H C Ñ Î Î Í O H R — C O O H R* — C O O HÎ ê è ñ ë å í è å í î â î é Æ Ê ã è ä ð î ê ñ è æ è ð í à ÿ ê è ñ ë î ò àÐ Å À Ê Ö È È Ï Î Ë
Антиоксидантная защита • В нормальных условиях процесс СРО находится под строгим контролем ферментативных и неферментативных систем клетки, от чего скорость его невелика. • Химические соединения и физические воздействия, влияющие на скорость СРО, делят на прооксиданты и антиоксиданты • Прооксиданты усиливают процессы СРО. Это высокие концентрации кислорода (например, при длительной гипербарической оксигенации больного), ферментные системы, генерирующие супероксидные радикалы (например, ксантиноксидаза, ферменты плазматической мембраны фагоцитов и др. ), ионы двухвалентного железа. • Антиоксиданты тормозят СРО. Антиоксиданты, находящиеся в организме, образуют его ферментативную и неферментативную антиоксидантную систему
АНТИОКИСЛИТЕЛЬНЫЕ ФЕРМЕНТЫ Супероксиддисмутаза (СОД) О* 2 + О *- 2 + 2 Н + → Н 2 О 2 + О 2 Каталаза 2 Н 2 О 2 → 2 Н 2 О + О
пероксидазы Пероксидаза Н 2 О 2 + НО- S -ОН → 2 Н 2 О + О= S =О Глутатионпероксидаза ( Se ) 2 GSH + ROOH → GSSG + ROH + Н 2 О (Удаляет пероксид водорода, гидроперекиси липидов) Глутатионредуктаза GSSG + НАДФН + Н+ → 2 GSH + НАДФ+ (Восстанавливает окисленный глутатион)
• Фосфолипаза в мембране отщепляет от фосфолипидов окисленные жирные кислоты, содержащие гидроперекисную группу ( R OOH), тем самым разрушаются гидроперекиси липидов, предотвращается разветвление цепей окисления липидов в мембранах.
Неферментативная антиоксидантная система À ñ ê î ð á è í î â à ÿ ê — ò àH CHOH O O CH 2 OH H CHOH OO O O CH 2 OH — 2 H + 2 H Ä å ã è ä ð î à ñ ê î ð á è í î â à ÿ ê — ò à
Токоферол (верх) и синтетический АО ионол (низ)
Антирадикальный механизм действия витамина ЕO CH 3 Ôèòèë HO H 3 C ROOROOH Òîêîôåðîë O CH 3 Ôèòèë O H 3 C Òîêîôåðèëðàäèêàë ÍÎ-àñêîðáàò-ÎÍÍÎ-àñêîðáàò-Î R O O H O CH 3 Ôèòèë O H 3 C Ò î ê î ô å ð è ë ð à ä è ê à ëO CH 3 Ôèòèë O H 3 C Ò î ê î ô å ð î ë õ è í î íH 2 OOH
Антиоксиданты крови и цитоплазмы • Церулоплазмин (плазма крови) -окисляет Fe 2+ до Fe 3+ молекулярным кислородом • Апо-белок трансферрина (плазма крови) — связывает Fe 3+ • Ферритин (цитоплазма)- окисляет Fe 2+ и депонирует Fe 3+ • Карнозин — связывает Fe 2+
• Глутатион- восстановает пероксиды • Аскорбиновая кислота — регенерирует окисленные токоферол и убихинон • Глутатионредуктаза — восстанавливает окисленный глутатион
Спасибо за внимание!