Лекция 7. Процессы окисления в биологии

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.

1. Моноаминоксидазы (МАО) - окисляют гормон адреналин и некоторые биогенные амины.
   
   
2. Диаминоксидазы (ДАО) - окисляют гистамин и другие диамины и полиамины.
   
   
3. Оксидаза L-аминокислот.
   
   
4. Оксидаза D-аминокислот.
   

Ксантиноксидаза - окисляет пуриновые азотистые основания (аденин и гуанин) с участием воды.

Биологическое значение окисления по оксидазному типу:

1. окисляются трудноокисляемые циклические вещества;
   
   
2. быстрая инактивация БАВ - биологически активных веществ;
   
   
3. 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.

1. Флавиновые дегидрогеназы. Содержат ФАД. Наиболее обычный субстрат для них - НАДФН2.
   
   
2. Железо-серный белок. Содержит негеминовое железо с переменной валентностью.
   
   
3. 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:

1. в монооксигеназных реакциях - супероксид-анион, который может отщепляться от активного центра цитохрома Р450;
   
   
2. в оксидазных реакциях - образуется пероксидный анион (присоединяя протоны, превращается в перекись водорода);
   
   
3. в дыхательной цепи МтО может происходить утечка электронов от каких-либо переносчиков - это явление наблюдается при реоксигенации ишемических тканей;
   
   
4. 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.