Биологическое окисление Тимин Олег Алексеевич Доцент кафедры биохимии

Биологическое окисление Тимин Олег Алексеевич Доцент кафедры биохимии и молекулярной и биологии ЛФ www.biokhimija.ru

Окислительный стресс

Цель Изучить реакции образования свободных радикалов, их роль в клетке и способы сдерживания свободно-радикального окисления.

План лекции Что такое свободные радикалы? Активные формы кислорода. Реакции образования активных форм кислорода. Роль свободных радикалов. Механизмы повреждающего действия свободных радикалов. Антиоксиданты.

Что такое свободные радикалы?

Атом гелия 1 Å (ангстрем) = 100.000 фм (фемтометр)

Строение атома 1. Электроны в атомах находятся на орбиталях. 2. Заполненная внешняя орбиталь содержит 2 электрона с противоположными спинами. 3. Вещества, имеющее заполненный внешний слой, инертны в химических реакциях. 4. Присоединение или потеря электронов заполняют или опустошают внешний слой. 5. При наличии незаполненного внешнего слоя вещества стремятся его заполнить образованием ковалентных связей.

Атомы и орбитали

Свободные радикалы 1. Свободные радикалы – частицы с неспаренными электронами на внешних атомных или молекулярных орбиталях. 2. Свободные радикалы быстро реагируют с другими соединениями, пытаясь отобрать недостающие электроны для получения стабильности. 3. Поэтому свободные радикалы очень нестабильны и существуют весьма непродолжительное время. 4. Являются промежуточными веществами во многих реакциях.

Свободные радикалы 5. Все соединения, с которыми контактируют свободные радикалы, окисляются. 6. Аэробные организмы постоянно продуцируют свободные радикалы при клеточном дыхании, метаболизме и фагоцитозе. 7. Свободные радикалы способны создать хаос в биологических системах.

Активные формы кислорода

В течение окислительных реакций молекуляр-ный кислород восстанавливается до воды. 2. Существуют «утечки» электронов из реакций с образованием продуктов неполного восстановления кислорода. 3. Продукты неполного восстановления кислорода носят название активные формы кислорода (АФК). 4. АФК содержат один или более неспаренных электронов на внешней орбитали – это свободные радикалы.

Молекула кислорода Синглетный кислород

Строение и активация кислорода

Активные формы кислорода

Реакции образования АФК

Неферментативное образование АФК

Утечка с дыхательной цепи O2 O2 . Неферментативное образование АФК

Неферментативное образование АФК Утечка с дыхательной цепи

Утечка с цепи микросомального окисления Неферментативное образование АФК

Окисление гемоглобина Окисление Fe2+ до Fe3+ в геме происходит случайно или под действием токсинов (нитраты, нитриты, нафталин, сульфаниламиды). Окисленная форма гемоглобина, метгемоглобин, не способна переносить O2. Неферментативное образование АФК

НАДФН-оксидаза присутствует на мембранах фагоцитов. Осуществляет перенос электронов с цитозольного НАДФН на молекулярный кислород с образованием супероксид анион-радикала. Ферментативное образование АФК

НАДФН-оксидаза представляет собой мульти-компонентную систему, состоящую из цитозоль-ных и мембраносвязанных ферментов. При стимуляции фагоцитов происходит быстрая самосборка цитозольных и мембранных компонентов в НАДФН-оксидазный комплекс.

Моноаминоксидаза – медьсодержащий фермент внешней мембраны митохондрий клеток нервной ткани (нейроны, астроглия), печени, ЖКТ и других. Дезаминирует серотонин, адреналин, дофамин, норадреналин, 2-фенилэтиламин и бензиламин. Ферментативное образование АФК

Ксантин оксидоредуктаза В обычных условиях катализирует окисление ксантина с участием НАД – ксантиндегидрогеназа. При гипоксии клеток фермент необратимо превращается в оксидазную форму - ксантиноксидаза. Акцептором электронов в этой реакции выступает кислород. Ферментативное образование АФК

Оксидазы D- и L-аминокислот локализуются в пероксисомах печени и почек, содержат флавиновые коферменты – ФАД (оксидаза D-аминокислот) и ФМН (оксидаза L-аминокислот). Ферментативное образование АФК

Лизилоксидаза – внеклеточный медьсодержащий фермент, участвует в синтезе коллагена. Ферментативное образование АФК

Ферментативное образование активных форм азота NO-синтаза – фермент, катализирующий окисление аргинина с образованием оксида азота (NO). Функции оксида азота: 1. Регуляция сосудистого тонуса. 2. Расслабление гладкой мускулатуры. 3. Торможение агрегации тромбоцитов. 4. Снижение адгезии нейтрофилов к эндотелию. 5. Нейромедиатор 6. Цитотоксический и бактерицидный эффект.

Ферментативное образование активных форм хлора Миелопероксидаза – лизосомальный гемсодер-жащий фермент нейтрофилов.

Роль свободных радикалов

Низкие уровни АФК бактерицидное действие, защита молока, участвуют в регуляции клеточных процессов (АФК-зависимый сигналинг). Высокие уровни АФК окислительный стресс, участвует в патогенезе атеросклероза, ИБС, ХОБЛ, б.Альгеймера, б.Паркинсона, опухолей, некроза.

Фагоцитоз Фагоцитоз – это активное поглощение и разрушение клетками твердых частиц, чуждых для организма (микроорганизмы, вирусы, иммунные комплексы антиген-антитело, простейшие, гельминты, твердые неорганические частицы, отмершие клетки). К фагоцитам относятся нейтрофилы, моноциты, эозинофилы, базофилы, тканевые макрофаги, купферовские клетки, остеокласты, клетки микроглии.

Респираторный взрыв Повышение потребление глюкозы и ее окисления по пентозофосфатному пути с образованием НАДФН. 2. Повышение потребления кислорода в 20-40 раз. 3. Активация НАДФН-оксидазы и генерация супероксид анион-радикала. 4. Активация миелопероксидазы и генерация гипохлорита.

НАДФН-оксидаза Супероксиддисмутаза Миелопероксидаза

Хронический грануломатоз Дефект НАДФН-оксидазы

Защита молока В систему антимикробной защиты молока входят лактоферрин, лизоцим, лактоглобулины, лактопероксидаза.

Лактопероксидазная система способна подавлять широкий спектр бактерий, грибы, паразиты, вирусы. Обеспечивает уничтожение кишечных патогенов, защиту молочных желез и сохранение молока.

Перекисное окисление липидов Перекисное окисление липидов – это окислительная деградация липидов, происходящая под действием свободных радикалов с образованием липопероксильного радикала. Дальнейшее взаимодействие полученного радикала со структурами соседних молекул приводит к развитию линейной цепной реакции с появлением новых окисленных молекул.

Стадии ПОЛ: 1. Инициация – образование свободного радикала (L•). 2. Развитие цепи – присоединение О2 и образование липопероксирадикала LOO• или пероксид липида LOOH. 3. Разветвление цепи – LOOH + Fe2+ → LO• + Fe3+ + HO– 4. Обрыв цепи. 5. Разрушение структуры.

Механизмы повреждающего действия свободных радикалов

Первичные механизмы 1. Деструкция жирных кислот фосфолипидов (липоперекиси, эндоперекиси). 2. Повреждение белков образование шиффовых оснований окисление тиоловых групп – инактивация тиоловых ферментов, транскрипционных факторов. 3. Повреждение ДНК – мутации, нарушение репарации.

Деструкция мембранных фосфолипидов

Образование шиффовых оснований

Окисление тиоловых групп

Повреждение ДНК

Вторичные механизмы 1. Повышение проницаемости мембран нарушение мембранных потенциалов, разобщение окислительного фосфори-лирования. 2. Повреждение лизосом – аутолиз клеток. 3. Повышение микровязкости мембран и нарушение активности мембранных рецепторов, мембраносвязанных ферментов, мембранного транспорта. 4. Канцерогенез.

Перекисная гибель клеток

Образование АФК при ишемии 1. Конверсия ксантиндегидрогеназы в ксантиноксидазу, способную активно продуцировать АФК при окислении пуринов. 2. Выброс катехоламинов при болевом синдроме и их окисление в адренохром, что сопровождается образованием АФК. 3. Необратимое ингибирование активности антиоксидантных ферментов (СОД и GSH-пероксидазы) вследствие накопления АФК. 4. Активация нейтрофилов продуктами фосфолиполиза и протеолиза (при некрозе), что способствует началу «респираторного взрыва» и приводит к гиперпродукции свободных радикалов.

Антиоксиданты

Антиоксиданты Ферменты супероксиддисмутаза, каталаза, церулоплазмин, глутатионпероксидаза, глутатионредуктаза, пероксиредоксины. Неферментативные белки трансферрин, ферритин, металлотио-неины, пептиды глутатион, тио-редоксины, витамины C и E, биофлавоноиды, минералы селен.

Ферритин, трансферрин – проявляют анти-оксидантную активность благодаря способности связывать (хелатировать) ионы железа и предотвращать реакцию Фентона. Металлотионеины – богатые цистеином (до 30% от состава) небольшие белки, способные связывать ионы металлов переменной валентности (железо, цинк, медь, тяжелые металлы кадмий и ртуть). Неферментативные антиоксиданты

Ферментативные антиоксиданты Супероксиддисмутаза – фермент цитозоля и митохондрий, в реакции дисмутации образуются нерадикальные продукты из радикальных субстратов O2 и пероксид водорода H2O2. Изофермент цитозоля содержит Zn, Cu, изофермент митохондрий имеет Mn.

Каталаза, гемсодержащий фермент, присутствует в пероксисомах всех клеток человека, обладает чрезвычайно высокой молекулярной активностью. В эритроцитах она находится в цитозоле и защищает гемоглобин от окисления. Ферментативные антиоксиданты

Церулоплазмин – медьсодержащий фермент (гликопротеин) α2-глобулиновой фракции белков плазмы крови. В церулоплазмине содержится около 95% общего количества меди сыворотки крови. Проявляет феррооксидазную активность (Fe2+  Fe3+), ускоряя связывание ионов железа с ферритином и трансферрином. Ферментативные антиоксиданты

Глутатионпероксидаза является гемсодер-жащим ферментом цитоплазмы и митохондрий, обладает в 1000 раз большим сродством к перекиси водорода, чем каталаза. Особенностью глутатионпероксидазы является наличие в активном центре фермента селеноцистеина, т.е. такого цистеина, в котором сера заменена на селен. Ферментативные антиоксиданты

Неферментативные антиоксиданты

Восстановление радикала токоферола

Также антиоксидантным эффектом обладают: растительные флавоноиды (кверцетин, ресвератрол), каротиноиды, мочевая кислота, гормоны (мелатонин, эстрадиол, эстриол). Неферментативные антиоксиданты

Пероксиредоксины – антиоксидантные ферменты, контролирующие уровень цитокин-индуцированных пероксидов, участвующих в передаче клеточных сигналов. В активном центре фермента находится SH-группа цистеина, которая окисляется до R-SOH состояния пероксидным субстратом (например, липидной гидроперекисью). Ферментативные антиоксиданты

Активный центр

Тиоредоксины – семейство небольших белков, содержащих в активном центре расположенные рядом остатки цистеина (-Cys-Gly-Pro-Cys-). С их помощью тиоредоксины восстанавливают дисульфидные связи в других белках. Неферментативные антиоксиданты

Функции: регуляция активности некоторых ферментов (пероксиредоксины, метионинсульфоксид-редуктаза), тиоредоксин поставляет электроны, используемые в биохимических процессах (синтез дезоксирибонулеотидов, активация витамина К), активирует apoptosis signal-regulating kinase1 (ASK-1), которая подавляет апоптоз и стимулирует клеточный рост.

Спасибо за внимание