Прооксидантная и антиоксидантная система
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ
ХАРЬКОВСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
им. В.Н. Каразина
Курсовая работа
Прооксидантная и антиоксидантная система
Авдеевой Екатерины Владимировны
ХАРЬКОВ 2014
Содержание
Введение
. Активные формы кислорода
. Типы окислительных реакций
. Свободные радикалы
.1 Супероксид-анион (радикал)
.2 H2O2 (пироксид водорода)
.3 OH (гидроксил, гидроксид - радикалы)
.4 Гипохлорит-анион
. Механизмы возникновения АФК
. Функции АФК
. Антиоксидантная система организма, факторы клеточной защиты
.1 Высокомолекулярные соединения
.1.1 Супероксиддисмутаза
.1.2 Каталаза
.1.3 Система глутатиона
.1.4 Антиоксидантные ферменты крови
.2 Низкомолекулярные соединения
.2.1 Жирорастворимые антиоксиданты
.2.2 Водорастворимые антиоксиданты
Заключение
Литература
Введение
Основной и почти единственный источник энергии в органическом мире наше планеты - свободная энергия Солнца, которая усваивается хлоропластами зеленых растений, расходуется на разделение водорода и кислорода в молекулах воды и в конечном счете на синтез органических соединений разной степени сложности. Эта же энергия заключена в химических связях сложных органических соединений в клетках животных и человека. Она частично освобождается в процессе окисления молекулярным кислородом - клеточного дыхания. За счет результате этого процесса, обратного по своей направленности фотосинтезу, полностью удовлетворяет энергетические потребности организма - обеспечивается поддержание, работа сократительных белков, активный транспорт белков через мембраны, все биосинтетические процессы. [2]
Мы не можем представить свою жизнь без кислорода. До появления фотосинтезирующих организмов атмосфера практически его не содержала. С их появлением кислород стал побочным продуктом их жизнедеятельности, который способствовал переходу к окислительной атмосфере и развитию аэробных организмов.
Однако вместе с преимуществом кислород принес новую опасность для организма. Молекулярный кислород, который обладает высокой реакционной способностью в основном состоянии, способен образовывать высокоактивные формы, способные наносить вред организму разрушая клеточные мембраны, снижая их прочность, вызывая набухание и разрушение митохондрий, вызывать структурно-функциональные нарушения ферментных систем дыхания.
В последние 10-15 лет проблема патогенеза заболеваний сердца, а также ряда других органов обогатилась раскрытием механизма повреждения клеточных структур. Основным фактором повреждения оказался кислород - тот самый кислород, из-за недостатка которого возникает гибель клеток. Выяснилось, что так называемые активные формы кислорода (АФК), имеющие неспаренный электрон, обладают биологическим эффектом, который в зависимости от концентрации АФК может быть регуляторным или токсическим. Соответственно пробудился интерес и к соединениям, которые в обычных условиях предотвращают токсическое действие АФК - антиоксидантам. Окислительный стресс играет важную, если не ключевую роль в патогенезе старения и широкого спектра сердечно-сосудистых заболеваний, в том числе кардиомиопатии, атеросклероза, ИБС, клапанных поражений и застойной сердечной недостаточности. В дальнейшем обзоре будут рассмотрены механизмы возникновения АФК, механизмы действия, функции и основные способы защиты организма.
1. Активные формы кислорода
Активные формы кислорода химически очень агрессивны: они повреждают белки <#"justify">2. Типы окислительных реакций
Перенос электронов являющийся сущностью окислительно-восстановительных реакций, может происходить различными путями. Различают три основных типа.
Реакции дегидрирования протекают без непосредственного участия кислорода. Перенос электронов в них осуществляется одновременно с переносом протонов, т.е. атомов водорода. Ферменты, осуществляющие реакцию дегидрирования, называются дегидрогеназы, различаются между собой по типу субстратов. Кофакторы дегидрогеназ - пиридин и флавиннуклеотиды.
Реакция оксигеназного окисления осуществляется путем переноса электронов непосредственно на молекулу кислорода, прямого востановления последнего с участием ферментов оксидаз, активирующих водород. Кофакторы и простетические группы оксидаз - флавинадениннуклеотид, Fe2+, Cu2+, Mo2+. Различают три вида оксидаз переносящих на кислород один, два или четыре электрона: а) тксантин оксидаза переносит один электрон с образованием супероксида О2; б) ксидазы аминокислот переносят два электрона и образуют перииксьводорода Н2О2; в) наконец четыре электрона транспортируют на О2 цитохромоксидаза и аскорбатоксилаза. При этом образуется вода.
Реакции оксигеназного окисления представляют собой прямое внедрение одного или двух атомов кислорода в окисляемый субстрат. Реализуют этот процесс ферменты оксигеназы, активирующие кислород перед его внедрением в субстрат. Кофакторы реакции - НАД·Н, НАДФ·Н, тетрагидроптерин, восстановленные флавины. Различают монооксигеназы переносящие один атом водорода, и ди оксигеназы, внедряющие в субстрат два атома кислород.
В микросомах (шероховатом эндоплазматическом ретикулуе) гепатоцитов локализована особая электронно-транспортная цепь состоящая из ферментов свободного окисления. Она осуществляет превращение разнообразных ксенобиотиков и ряда метаболитов в полярные нетоксичные продукты, проявляющие гидрофильность, растворимость и в дальнейшем экскретируемые почками. Важнейшую роль метаболизации ксенобиотикови метаболитов играет реакция гидроксилирования, осуществляемая монооксигеназами. Входящими в микросомальный ферментный комплекс.
Микросомальный ферментный комплекс гепатоцитов в присутствии НАДФ·Н и кислорода гидроксилирует ароматические гидрофобные соединения (бензол, хлорбензол, анилин и т.п.) превращая их в соответствующие растворимые и малотоксичныефенолы. В окислении полиядерных ароматических соединений участвует гидроксилаза ароматических углеводов (ГАУ), идентифицированная как циохром Р-488. При взаимодействии монооксигеназ с субсирактами происходит не только гидроксилирование, но и образование эпоксидов, дигродилов. Как правило, под влияниемпеченочных мононуклеаз токсичность субстрата резко у меньшается в результате гидроксилирования. Однако существует опасность возникновения и весьма токсичных канцерогенов.
В процессе оксидазного и особенно оксигеназного окисления возникают высокореактивные медиаты радикалной природы. Эти радикальные продукты могут выступать в качестве активаторов образования АФК. [2]
3. Свободные радикалы
Свободные радикалы - это молекулярные частицы, имеющие непарный электрон на внешней электронной оболочке и обладающие высокой реакционной способностью. Основные радикалы, образующиеся в клетках - это радикалы кислорода (супероксид и гидроксильный радикал), монооксид азкатализаторовота, радикалы ненасыщенных жирных кислот, радикалы, образующиеся в окислительно-восстановительных реакциях (например, убихинол). Радикалы образуются также при действии ультрафиолетовых лучей и в ходе метаболизма некоторых чужеродных соединений (ксенобиотиков). Основные виды радикалов образующихся в нашем организме приведены в таблице 1. [1]
В случае нарушения метаболизма АФК при разных патологических условиях и не контролированном увеличенном образовании свободных радикалов в организме, при так называемом оксидативном стрессе, происходит усиление процессов пероксидации липидов (ПОЛ), последствием чего является нарушение свойств биологических мембран и функционирования клеток. В норме процессы ПОЛ четко контролируются антиоксидантами системы организма, поэтому их интенсивность незначительна.
Процессы перекисного окисления липидов являются важной причиной накопления клеточных дефектов. Основным субстратом ПОЛ являются полиненасыщенные цепи жирных кислот (ПНЖК <#"justify">кислород антиоксидантный фермент окисление
Липидный радикал может реагировать с О2 с образованием пероксильного радикала, который, в свою очередь, взаимодействует с новыми молекулами ненасыщенных жирных кислот и приводит к появлению липидных пероксидов, которые достаточно стабильны при температуре тела:
L + O2 -> LO2 2 + LH ->LOOH + L.
Скорость этих реакций зависит от активности антиоксидантной системы клетки. При взаимодействии с комплексами железа гидроперекиси липидов <#"justify">РадикалОсновной источникВредные реакцииПервичные радикалыСемихиноныЦепи переноса электроновHQ·+ O2 -> Q + ·O2- + H+СупероксидКлетки - фагоциты·O2- + Fe3+-> O2+ Fe2+Монооксид азота (NO)Клетки эндотелия и многие другиеNO·+·O2-->OONO- (пероксинитрит)Вторичные радикалыРадикал гидроксилаH2O2 + Fe2+ -> Fe3+ + HO- (реакция Фентона) HOCl + Fe2+ -> Fe3+ + Cl- + HO·(реакция Осипова)Повреждение ДНК и РНК, цепное окисление липидовРадикалы липидовЦепное окисление липидовПовреждение липидного бислоя и мембранных ферментовРадикалы антиоксидантовЦепное окисление липидовИногда оказывают прооксидантное действиеРадикалы, образующиеся при метаболизме ксенобиотиковПромышленные токсины и некоторые лекарстваОбразование вторичных радикаловРадикалы, образующиеся при действии светаПоглощающие свет веществаОбразование вторичных радикалов
.1 Супероксид-анион (радикал)
Ключевой активной формой кислорода является супероксид анион - радикал (О2), образующейся при присоединении одного электрона к молекуле кислорода в основном состоянии. Супероксид радикал сам по себе обладает малой реакционной способностью. Он может действовать как окислитель (акцептор электрона), как восстановитель (донор электрона). В водной среде может спонтанно дисмутировать (один атом может выступать в качестве акцептора электрона, а другой в качестве донора).
Время его жизни в биологических субстратах составляет около 10-6 с. Супероксид анион-радикал представляет опасность тем, что способен повреждать белки, содержащие железо-серные кластеры, такие как аконитаза, сукцинатдегидрогеназа и НАДН-убихинон оксидоредуктаза.
При кислых значениях рН супероксид анион-радикал может протонироваться с образованием более реакционноспособного пероксильного радикала (НО2), представляющего собой слабую кислоту.
.2 H2O2 (пироксид водорода)
Присоединение двух электронов к молекуле кислорода или одного электрона к супероксид-аниону приводит к образованию перекиси водорода, которая является окислителем умеренной силы. Однако из перекиси водорода может образовываться гидроксид-радикал (ОН.), который является весьма сильным окислителем. ОН радикал может образовываться при трехэлектронном восстановлении кислорода или при взаимодействии перекиси водорода с супероксид радикал - анионом - реакция Габера-Вейса. В процессе реакции генерируется OH (гидроксил-радикал) из H2O2 (пероксида водорода) и супероксида (O2). Реакция может возникать в клетке и вызывать окислительный стресс. Реакция проходит довольно медленно, однако катализируется ионами железа. [1]
В обычных условиях эта реакция протекает достаточно слабо. Токсичность перекиси водорода резко возрастает в присутствии металлов переменной валентности, что объясняется ускорением образования ОН.
.3 OH (гидроксил, гидроксид - радикалы.)
Гидроксид-радикал практически не участвует в образовании других АФК, но является важным фактором окислительной модификации многих клеточных структур. Он может окислять молекулы белков и липидов, особенно активно атакуя мембранные липиды, которые содержат ненасыщенные двойные связи. Этот процесс приводит к образованию липидных гидроперекисей и изменению свойств клеточных мембран. Гидроксид-радикал вызывает разрыв связей в молекуле ДНК, что может вызывать глубокие повреждения генетического аппарата клеток. Константы скоростей его взаимодействия с большинством биологически важных молекул близки к диффузионным.
Вследствие высокой химической активности гидроксид-радикала, время его жизни в клетке составляет 100 нс, а расстояние, которое он может пройти от места образования до места взаимодействия с мишенью ~100 нм.
3.4 Гипохлорит-анион
Гипохлорит-анион (OCl-), представляющий собой активную форму хлора и условно относимый к АФК, так как он обладает сходными свойствами окислителя. В ходе миелопероксидазной реакции Н2О2 ферментативно превращается в гипохлорит-анион, который является мощным окислителем. Гипохлорит - анион опасен сам по себе, а также может взаимодействовать с О2 с образованием гидроксид-радикала и с пероксидомю водорода с образованием синглетного кислорода. [6]
К радикальным компонентам клетки относится NO-радикал, образуемый ферментом NO-синтаза и участвующий в образовании пероксинитрита при взаимодействии с супероксид. [8]
4. Механизмы возникновения АФК
Молекулярный кислород в основном своем триплетном состоянии имеет два неспаренный электрона с одинаково ориентированными спинами, занимающих самостоятельные внешние орбитали. Каждая из этих орбиталей может принять ещё один электрон. Полное восстановление О2 в Н2О требует присоединения четырех электронов. В большинстве случаев в организме восстановление кислорода происходит поэтапно, с переносом одного электрона на каждом этапе.
При присоединении первого электрона образуется супероксидный анион 2О, который имеет на внешней орбитали неспаренный электрон. Такие атомы называются свободными радикалами. Супероксид, получая ещё одни электрон превращается в пероксид водорода Н2О2, присоединение третьего приводит к образованию молекулы воды и гидроксильного радикал ОН. Четвертый электрон превращает гидроксил в воду. [3]
Таков нормальный механизм обезвреживания кислорода, общий для всех процессов в организме. Но по некоторым причинам может произойти сбой в этой системе (либо запуск определенной программы, такой как апоптоз), что приведет к нарушению присоединения электрона и как следствие появление свободный радикалов (АФК). По некоторым оценкам, даже в физиологически оптимальных условиях примерно 2-5% проходящих по ЭТЦ электронов идут на образование супероксидных радикалов. Кроме того, в определенных условиях (например, при окислении пиридиннуклеотидов и полифенолов) при физиологическом значении рН некоторые апопластные пероксидазы, проявляя свою оксидазную функцию, способны к образованию супероксидного анион-радикала.
Синглетный кислород (О2) образуется в хлоропластах в результате взаимодействия молекулярного кислорода с хлорофиллом, возбужденным квантом света и находящимся в триплетном состоянии. Энергия, необходимая для этого перехода, составляет примерно 22 ккал/моль. В результате поглощения избыточной энергии (что часто имеет место в реальных условиях) происходит обращение спина одного электрона и формирование синглетного кислорода. Образование супероксидного анион-радикала (О2) происходит в фотосистеме I (ФС I) и II (ФС II) хлоропластов и на комплексах дыхательной цепи в митохондриях, а также в ряде реакций, протекающих в пероксисомах (при окислении ксантина ксантиноксидазой). В ФС I появление супероксидного радикала происходит в реакции Мёллера и связано с работой 4Fe-4S-кластеров, ферредоксина и/или ферредоксин-НАДФН-редуктазы. Около 10-25% всего нециклического электронного потока может идти на образование супероксид-радикала. Генерация анион-радикала, кроме того, возможна на уровне реакционного центра ФС II, предположительно в QА и QВ сайтах. В митохондриях образование О2 - сопряжено с функционированием дыхательной электрон-транспортной цепи (ЭТЦ) во внутренней митохондриальной мембране и захватом молекулярным кислородом электронов с гемов.
Существует ещё несколько механизмов возникновения свободных радикалов. Например, в процессе функционирования цитохрома Р-450 в микросомах образуется такой тип АФК как пероксид водорода. Принято считать, что его образование связано с тем, что в процессе цитохром Р-450-зависимого окислительного цикла образующийся тройственный комплекс, включающий цитохром Р-450, субстрат и ион супероксида (оксицитохром Р-450), может, помимо основного пути превращения - внедрения кислорода в структуру субстрата, - распадаться с образованием исходного комплекса субстрат-цитохром Р-450 и высвобождением супероксида (процесс "разобщения") с последующей его дисмутацией, с образованием пероксида водорода. В присутствии ионов железа пероксид водорода в результате одноэлектронного переноса может восстанавливаться до гидроксил-радикала - сильнейшего окислителя. Показано также, что высвобождение железа из ферритина - белка, являющегося основным депо железа в клетке, происходит в результате образования супероксида при функционировании цитохрома Р-450. [1]
Таким образом, супероксид, образующийся при "разобщении" на цитохроме Р-450, может быть источником пероксида водорода и генератором ионов железа из ферритина-компонентов, необходимых для образования различных активных форм кислорода. Действительно, образование супероксида, пероксида водорода и гидроксил радикала показано в реконструированных ферментных системах с использованием различных изоформ цитохрома Р-450.
Hb (Fe2+) O2=Hb (Fe3+) +O2-
Образующийся супероксид кислорода способен окислять оксигемоглобин.
Hb (Fe2+) O2+O2 - + 2H+= Hb (Fe3+) +O2+ H2O2
Пероксид водорода - тоже окислитель оксигемоглобина.
Hb (Fe2+) O2+H2O2= Hb (Fe3+) +OHрадикал+OH-
Гидроксильный радикал окисляет гемоглобин.
(Fe2+) +OH= Hb (Fe3+)
Но, тем не менее, общепринято, что дыхательная цепь митохондрий является основным источником АФК в большинстве клеток. Вместе с тем представляет интерес выяснение, какие именно компоненты дыхательной цепи и в каких условиях являются основными АФК - генераторами. Исходя из стандартных редокс-потенциалов окислительно-восстановительных центров различных Комплексов дыхательной цепи, а также на основе экспериментальных данных были выделены три основных источника АФК: НАДН - убихинон оксидоредуктаза, сукцинат-убихинон оксидоредуктаза и убихинол-цитохром с оксидо-редуктаза.
Не существует единого мнения по поводу того, в каких именно участках дыхательной цепи происходит образование АФК и каков вклад каждого из них в этот процесс. Теоретически одноэлектронное восстановление кислорода может происходить в любом из редокс-центров Комплекса I, а также в высокопотенциальных редокс-центрах Комплексов 2 и 3. По мнению большинства исследователей, основным АФК-генератором в дыхательной цепи является Комплекс I. Однако ряд авторов полагает, что Комплекс III вносит, по крайней мере, такой же вклад в образование АФК. Существует также мнение, что заметным источником АФК может служить также Комплекс II. На сегодняшний день признается, что все три комплекса образуют АФК.
5. Функции АФК
В тканях аэробных организмов в процессе метаболизма постоянно образуются продукты неполного восстановления кислорода. Активные формы кислорода и радикалы синтез в организме, выполняют не только вредные, но и множество полезных для клетки функций. Так, образование супероксид-аниона и гипохлорита клетками иммунной системы используется организмом при защите от инфекций и других чужеродных факторов. Для некоторых тканей, в частности, для мозга, характерен повышенный синтез простагландинов, тромбоксанов и лейкотриенов. Этот процесс требует участия супероксид-аниона, взаимодействующего с другим компонентом этой системы, арахидоновой кислотой - соединением, высвобождающимся из мембранных фосфолипидов в ходе индуцируемого АФК перекисного окисления липидов.
АФК активно участвуют в процессах передачи клеточного сигнала. Так, например, свободные радикалы, которые образуются в цитозоле клетки в ответ на стимуляцию факторами роста, участвуют в регуляции пролиферации. Имеется много публикаций, свидетельствующих, что активные формы кислорода стимулируют деление различных типов клеток. [1, 3]
Механизм, по которому активные формы кислорода участвуют в передаче митотического сигнала, неизвестен. Возможно, что АФК могут активировать такие ферменты, как митоген-активируемую киназу p38, что, в свою очередь, приводит к активации транскрипционного фактора HIF-1 и экспрессии соответствующих генов. Показано, что они включают каскад реакций, которые передают митотический сигнал при воздействии "физиологических" агентов, таких как факторы роста: активируют в клетке различные транскрипционные факторы, но наиболее эффективно - продукт гена c-jun и ядерный транскрипционный фактор NF-kB. Свободные радикалы обладают активностью, модулирующей транскрипционные факторы, как NF-kB и активирующий белок-1 (AP-1). В случае NF-kB показано, что он становится транскрипционно активным после того, как происходит опосредованная АФК деградация IkB белка, ингибирующего NF-kB. Также показана роль АФК в качестве вторичных мессенджеров в сигнальных каскадах, запускаемых такими факторами как TGF-b1, PDGF, ATII, FGF-2 и эндотелин.
Еще одной мишенью АФК может являться Na/K-АТФаза, белок, отвечающий за электрогенный транспорт ионов калия и натрия через клеточную мембрану. В нормальных условиях нейрональная Na/K-АТФаза потребляет от 15% до 40% энергии клетки, направляя ее на поддержание ионных градиентов. Избыточная активация глутаматных рецепторов и повышение уровня АФК приводит к обратимому ингибированию фермента. Известно разнонаправленное влияние глутаматных рецепторов первой и третьей групп на активность Na/K-АТФазы. Так, АФК усиливают ингибирующее влияние NMDA-рецепторов на активность Na/K-АТФазы, а mGluI предотвращают ингибирование ее NMDA - рецепторами.[20]
6. Антиоксидантная система организма, факторы клеточной защиты
Защита от избытка кислорода биологических структур, прежде всего наиболее уязвимых мембранных образований, особенно липидный (фосфолипидных) решилась путем создания специализированных присособлений - антиокислительных механизмов, обеспечивающих «отведение» окисителной энергии свободного кислорода в безопасное русло. К этим приспособлениям относятся специализироанные ферментные системы - антиокислительные ферменты, а также химические буферные системы, способные поддерживать прооксидантно-антиоксидантное равновесие, проаксидантно-антиоксидантный гомеостаз во внутриклеточных и вне клеточных и межклеточных жидкостях и липидных структурах мембран. [1, 19]
Эффекторные компоненты антиоксидантной системы называются антиоксидантами. Число эндогенных соединений, относимых к антиоксидантам, постоянно возрастает. Нет единой универсальной классификации антиоксидантов.
Некоторыми авторами предпринята попытка классификации антиоксидантов с точки зрения их ММ на 2 группы.
Группа Высокомолекулярные соединения - ферменты антиоксидантной защиты, а также белки, способные связывать ионы Fe и Cu, являю-щиеся катализаторами свободнорадикальных процессов. Антиоксидантные ферменты (СОД, церулоплазмин, каталаза, глутатионзависимые ферменты) обеспечивают комплексную антирадикальную защиту биополимеров. Для ферментативных антиоксидантов характерны высокая специфичность, строго определенная органная и клеточная локализация, а также использование в качестве катализаторов металлов Cu, Fe, Mn, Zn, Se.
К числу белков, обладающих способностью связывать металлы с переменной валентностью и соответственно обладающих антиоксидантными свойствами, относят альбумины крови, трансферрин, ферритин, лактоферрин. Многие из них весьма эффективны в ингибировании свободнорадикальных процессов, но слабо проникают через мембраны и тканевые барьеры.
Группа Низкомолекулярные антиоксиданты: некоторые аминокислоты, полиамины, мочевина, мочевая кислота, глутатион, аскорбиновая кислота, билирубин, токоферол, витамины группы A, K, P.
При этом можно говорить о своеобразных антиоксидантных цепях переноса электронов, эффективность функционирования которых определяется работой всех компонентов.
.1 Высокомолекулярные соединения
.1.1 Супероксиддисмутаза
СОД - пероксид: пероксид оксидоредуктаза. КФ 1.15.1.1. Катализирует реакцию О2-+ О2-+2Н+® О2+Н2О
СОД инактивирует супероксиданионрадикал, субстратами действия глутатионпероксидазы и каталазы являются пероксид водорода и гидроперекиси липидов.
Полагают, что уровень активности внутриклеточных ферментативных антиоксидантных систем генетически детерминирован, причем избыточное накопление в клетках супероксидного анион-радикала или перекиси водорода сопровождается депрессией участков генома, ответственного за активность внутриклеточных ферментативных антиоксидантных систем. [20]
Обнаружено несколько изоэнзимных форм СОД, отличающихся строением активного центра. У эукариотов Cu-, Zn-содержащая СОД локализуется в основном в цитозоле эритроцитов, в межмембранном пространстве митохондрий, в цитоплазме и ядре нервных клеток. Фермент чувствителен к цианиду, представляет собой металлопротеид с ММ 32000-33000, состоит из двух субъединиц, каждая из которых связывает 1 атом Cu и 1 атом Zn. СОД локализована в митохондриях печени и миокарда эукариот, вблизи анионных каналов. Для микроорганизмов характерны железосодержащий и марганецсодержащий изоферменты. Mn-СОД состоит из 4 субъединиц с ММ 20 000 каждая, механизм действия энзима, вероятно, подобен действию Cu-, Zn-СОД-фермента, то есть металл в активном центре попеременно меняет свою валентность: Mn3+, Mn2+. Супероксиддисмутазную активность могут проявлять комплексы меди с аминокислотами и пептидами, а также многие медьсодержащие белки. [4, 6]
Описанные выше изоферментные формы СОД являются внутриклеточными ферментами, в межклеточной жидкости (плазма крови, лимфа, синовиальная жидкость) они разрушаются в течение 5-10 минут. В то же время обнаружена экстрацеллюлярная высокомолекулярная форма СОД (ММ 120000 Д), хорошо связывающаяся гепаринсульфатом гликокаликса эндотелиоцитов, локально защищает их от свободных радикалов. Экстрацеллюлярная СОД не связывается с лейкоцитами и эритроцитами, не участвует в регуляции продукции активных форм O2 гранулоцитами в процессе киллинга.
СОД существенно ускоряет дисмутации супероксиданионрадикала. Однако, несмотря на высокую специфичность фермента, при определенных условиях Cu-СОД может взаимодействовать с H2O2 и выступать в качестве прооксиданта. В последние годы были синтезированы модифицированные препараты СОД и каталазы, ассоциированные с иммуноглобулинами, сывороточным альбумином, высокомолекулярными спиртами, в частности, полиэтиленгликолями, что обеспечивало стабильность ферментов и длительность их циркуляции в крови. Подобные ассоциированные формы фермента нашли применение в эксперименте при эндотоксикозе, инфаркте миокарда, региональной ишемии, ожогах кожи, а также при стрессорных и воспалительных повреждениях тканей.
Церулоплазмин или голубая феррооксидаза - гликопротеид сыворотки крови, образующийся в печени, катализирует реакцию:
Fe2+ + 4H+ O2 - > 4Fe3+ + H2O
Он способствует окислению полиаминов, полифенолов, аскорбиновой кислоты, возможно участвует в транспорте меди. Прямая антиоксидантная функция определяется супероксиддисмутазной и ферриоксидазной активностью, а непрямые антиоксидантные свойства связаны с окислением Fe2+ и аскорбината, потенциальных источников супероксидного анион-радикала. Это основной реактант острой фазы воспаления.
Как указывалось, в процессе дисмутации супероксидного анион-радикала образуется H2O2, восстанавливаемая до H2O в основном каталазой и глутатионпероксидазой. [1, 2]
.1.2 Каталаза
Каталаза - пероксид водорода: пероксидводорода оксидоредуктаза КФ 1.11.1.6 - оксидоредуктаза с молекулярной массой около 250 кД. Это - двухкомпонентный фермент, состоящий из белка и соединенной с ним простетической группы, последняя содержит гематин. Установлено, что каталаза содержит 0,09% железа, т.е. 4 атома железа на 1 молекулу фермента. Оптимум действия каталазы при рН 6,5; в более кислых и щелочных средах активность уменьшается.
Каталаза катализирует дисмутацию Н2О2 до Н2О и О2:
Н2О2→2Н2О+О2
Процесс осуществляется в 2 этапа:
F
е2+-каталаза + 2Н2О2 → окисленная каталаза;
окисленная каталаза + Н2О2 → Fе3+-каталаза + 2Н2О + О2.
Один фермент способен вызывать распад 6∙106 молекул пероксида водорода в секунд.
Каталаза локализована преимущественно в пероксисомах и глиокисомах, специфическая изоформа обнаружена также в митохондриях, активность ее обнаружена и в хлоропластах растений. В окисленном состоянии каталаза может работать и как пероксидаза, катализируя окисление спиртов или альдегидов. Существенна также роль каталазы в снабжении кислородом тех участков тканей, куда доступ его в силу тех или иных причин затруднен. Биологическая роль каталазы тесным образом связана с нормальной функцией цитохромной системы. Активность каталазы варьирует в зависимости от источника получения фермента. Каталаза ингибируется сенильной кислотой, сероводородом, фторидами. Наиболее сильное торможение на активность каталазы оказывает нитрат-ион. [9, 11]
Каталаза - локализуется в основном в пероксисомах, частично - в микросомах и в меньшей мере - в цитозоле, максимальная концентрация каталазы обнаружена в эритроцитах. Полагают, что каталаза не имеет высокого сродства к H2O2 и не может эффективно обезвреживать это соединение при низких концентрациях, имеющихся в цитозоле. В пероксисомах, где концентрация H2O2 высока, каталаза активно разрушает ее.
При этом в окисленном состоянии каталаза работает как пероксидаза. Субстратами в пероксидазной реакции могут быть этанол, метанол, формиат, формальдегид и другие доноры водорода.
Следует отметить, что около 0,5% O2, образующегося в результате разложения H2O2, возникает в возбужденном синглетном состоянии и таким образом в процессе разложения перекиси водорода вновь генерируются активные формы O2.
Активности каталазы и СОД коррелируют между собой, что может быть связано с переключением потока электронов с одной цепи транспорта на другую. В этих условиях СОД и каталаза действуют как звенья одной системы утилизации O2, размещенные в разных участках клетки.[4]
.1.3 Система глутатиона
Глутатион зависимая АО-система включает три глутатионзависимых фермента ГПО, ГР и ГТ. Центральный метаболит системы - трипептид глутатион, (GSH) - глютамилцистеинилглицин обладающий и собственной АО-активностью и функционирующий в качестве кофактора, донора водорода и субстрата с ферментами системы, а также СОД и каталазой.
Глутатион синтезируется в печени, откуда транспортируется в различные органы и ткани, обеспечивает восстановление дисульфидных групп белков, дигидроаскорбиновой кислоты, с участием глутатион-трансферазы образует конъюгаты в печени с электрофильными соединениями и последующим выведением их с мочой. [8, 10]
Глутатионредуктаза (ГР) - НАД(Ф)Н: окисленный глутатион оксидоредуктаза, КФ 1.6.4.2 катализирует реакцию:
НАД(Ф)Н + GS - SG = 2НАД(Ф) + 2GSH
Центральное место этого фермента в метаболизме глутатиона и всей его системы связано с тем, что он осуществляет единственный известный механизм восстановления GSH из его окисленной формы GS - SG.
ГР - флавопротеин с простетической группой флавинадинуклеотидом; его молекула состоит из двух идентичных субъединиц с молекулярной массой 50-55 кДа, полость между которыми в ходе реакции занимает окисленный глутатион <#"justify">Восстановленные соединения например, НАД(Ф)Н, его обратимо инактивируют, а окисленный глутатион и феррицианид активируют.
ГР - классический цитозольный фермент всех эукариотических клеток. [7]
Глутатионпероксидаза - (ГПО) - глутатион: пероксид водорода оксидоредуктаза, КФ 1.11.1.9, катализирует реакцию:
2GSH + H2O2 → GS-SG + 2H2O.
глутатионпероксидаза является Se-содержащим ферментом, около 70% ее локализовано в цитоплазме и около 30% - в митохондриях всех клеток млекопитающих. ГПО - белок с ММ 84000-88000, состоит из 4 идентичных субъединиц, каждая из которых включает 1 атом Se. [2]
ГПО катализирует реакцию восстановления гидроперекиси с помощью глутатиона, обладает широкой субстратной специфичностью по отношению к гидроперекисям, но абсолютно специфична к глутатиону. Сродство глутатионпероксидазы и H2O2 выше, чем у каталазы, поэтому первая более эффективно работает при низких концентрациях субстрата, в то же время в защите клеток от окислительного стресса, вызванного высокими концентрациями H2O2. Последнее особенно четко продемонстрировано на эндотелиальных клетках.
В клетках млекопитающих, кроме S-зависимой ГПО, выявлена ГПО без S с ММ 39000-46000, катализирующая восстановление гидроперекисей органических соединений в том числе и полиненасыщенных жирных кислот, но ее эффективность в отношении H2O2 чрезвычайно низка.
Стресс через адренергические рецепторы, цАМФ и протеинкиназу стимулирует активность ГПО.
Бесселеновая глутатионпероксидаза локализована в митохондриальных мембранах печени, почек, сердца, в то время как селеновая - в эритроцитах.
ГПО принадлежит активная роль в защите лизосомальных мембран от перекисного окисления.
ГПО элиминирует перекиси стеринов и нуклеиновых кислот, является адаптивным ферментом, активность которого регулируется продуктами липопероксидации и активными формами O2. Важным компонентом антиоксидантной системы является глутатионтрансфераза, ингибирующая инициацию ПОЛ и обезвреживающая токсические метаболиты ПОЛ. Фермент активируется через цАМФ. Тканевая ГПО, по мнению ряда авторов, представляет собой изоформу глутатионтрансферазы. [10, 6]
Глутатионтрасфераза (ГТ) - RX: глютатион S-трасфераза КФ 2.5.1.18 катализирует реакции типа: RX +GSH ® HX + GS - SG.
ГТ это семейство ферментов с полифункциональной активностью, осуществляющим главным образом детоксикацию разных ксенобиотиков в том числе пероксидов. Е - S - ГТ разрушают органичкские (липидные) пероксиды. Изоформ ГТ насчитывает не меньше 11 видов. [2]
ГТ осуществляет 4 основных типа реакций:
1) Присоединение к субстрату полной молекулы глутатиона:
R + GSH = HRSG
RX + GSH = HX + SG
уходящей группой в этой реакции может быть галоген NO-2, HSON-, RO-, и др.
) восстановление органических пероксидов (гидропероксидов жирных кислот, кумена) до соответствующих спиртов:
2GSH + ROOH = ROH + GSSG + H2O
Эту активность глутатионтрансферазы рассматривают как неселеновую глутатионпероксидазу <#"justify">Токоферол (Витамин Е) наиболее распространённый антиоксидант в природе - является липофильной молекулой, которая состоит из бензольго ядра с гидроксильной группой, способной инактивировать свободные радикалы непосредственно в гидрофобном слое мембран и таким образом предотвращать развитие цепи перекисного окисления, и боковой фитольной цепи, осуществляющей взаимодействие молекулы токоферолас мембранными структурами. Существует предположение, что углеводородная фитольная цепь токоферола может играть роль своеобразного канала, по которому свободно радикальные центры эстафетным путем покидают гидрофобную зону мембраны. Различают 8 типов токоферолов, но α-токоферол наиболее активен.
Токоферол выполняет несколько функций, дающих в совокупности АО-эффект. Он взаимодействует с гидроксильным радикалом ОН, наиболее сильнодействующим и короткоживущим из активных форм кислорода. Токферол обладаеттушащим действием по отношению к синглетному ксороду, акцептирует также супероксид О2 и ингибирует липидные радикалы структуры R и ROO радикалы аминокислот, защищает от токсического действия озона, блокируя порождаемые им радикальные реакции.
Витамин Е отдаёт атом водорода свободному радикалу пероксида липида (ROO), восстанавливая его до гидропероксида (ROOH) и таким образом останавливает развитие ПОЛ. [14, 16 15]
Убихинон - кофермент Q, подобно α-токоферол жирорастворим и обладает АО- активностью, образуя окислително-восстановительную буферную систему убихинол - убихинон
Кофермент Q принимает участие в реакциях окислительного фосфорилирования, является компонентом цепи переноса электронов в митохондриях. Ингибиторы работы убихинона останавливают реакции окислительного фосфорилирования.
Кофермент Q является компонентом цепи переноса электронов, принимает участие в переносе электронов с NADH-дегидрогеназного комплекса (комплекс I) и сукцинатдегидрогеназного комплекса (II) на комплекс III, и участвует таким образом в синтезе АТФ <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%90%D0%A2%D0%A4>.
Также кофермент Q является антиоксидантом и, в отличие от других антиоксидантов, регенерируется организмом. Кроме того, кофермент Q восстанавливает антиоксидантную активность витамина Е <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%92%D0%B8%D1%82%D0%B0%D0%BC%D0%B8%D0%BD_%D0%95> - α-токоферола <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A2%D0%BE%D0%BA%D0%BE%D1%84%D0%B5%D1%80%D0%BE%D0%BB>.
Антиоксидантное действие кофермента Q обусловлено главным образом его восстановленной формой (CoQH2). Активность восстановленной формы кофермента Q на три порядка выше невосстановленной. Реакцию нейтрализации свободных радикалов восстановленным коферментом Q можно записать следующим образом 2LOO + CoQH2 → 2LООН + CoQ. [19, 16]
Витами́н A - группа близких по химическому строению веществ, которая включает ретинол <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A0%D0%B5%D1%82%D0%B8%D0%BD%D0%BE%D0%BB> (витамин A1, аксерофтол) и другие ретиноиды <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A0%D0%B5%D1%82%D0%B8%D0%BD%D0%BE%D0%B8%D0%B4%D1%8B>, обладающие сходной биологической активностью: дегидроретинол <https://ru.wikipedia.org/w/index.php?title=%D0%94%D0%B5%D0%B3%D0%B8%D0%B4%D1%80%D0%BE%D1%80%D0%B5%D1%82%D0%B8%D0%BD%D0%BE%D0%BB&action=edit&redlink=1> (витамин A2), ретиналь <https://ru.wikipedia.org/w/index.php?title=%D0%A0%D0%B5%D1%82%D0%B8%D0%BD%D0%B0%D0%BB%D1%8C&action=edit&redlink=1> (ретинен, альдегид витамина A1) и ретиноевую кислоту <https://ru.wikipedia.org/w/index.php?title=%D0%A0%D0%B5%D1%82%D0%B8%D0%BD%D0%BE%D0%B5%D0%B2%D0%B0%D1%8F_%D0%BA%D0%B8%D1%81%D0%BB%D0%BE%D1%82%D0%B0&action=edit&redlink=1>. К провитаминам <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9F%D1%80%D0%BE%D0%B2%D0%B8%D1%82%D0%B0%D0%BC%D0%B8%D0%BD>A относятся каротиноиды <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9A%D0%B0%D1%80%D0%BE%D1%82%D0%B8%D0%BD%D0%BE%D0%B8%D0%B4%D1%8B>, которые являются метаболическими предшественниками витамина A; наиболее важным среди них является β-каротин <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9A%D0%B0%D1%80%D0%BE%D1%82%D0%B8%D0%BD>. Ретиноиды содержатся в продуктах животного <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%96%D0%B8%D0%B2%D0%BE%D1%82%D0%BD%D1%8B%D0%B5> происхождения, а каротиноиды- растительных <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A0%D0%B0%D1%81%D1%82%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D1%8F>. Все эти вещества хорошо растворимы в неполярных органических растворителях (например, в маслах) и плохо растворимы в воде. Витамин А депонируется в печени <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9F%D0%B5%D1%87%D0%B5%D0%BD%D1%8C>, может накапливаться в тканях <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A2%D0%BA%D0%B0%D0%BD%D1%8C_(%D0%B1%D0%B8%D0%BE%D0%BB%D0%BE%D0%B3%D0%B8%D1%8F)>. При передозировке проявляет токсичность. [16]
Витамин А и каратиноиды, участвуют в ОА-защите любых биологических мембран от поврежения активными формами кислорода в частности О2, синглетным кислородом, пероксидными радикалами, участвуют в регуляции пероксомального окисления.
На микросомальное окисление - как НАДФН-зависимое, так и аскорбатзависимое - ретинол и ретииновая кислота действуют ингибировано. Подобно другим биоантиоксидантам витамин А и каратиноиды физиологически взаимодействуют с препаратами сходногодействия, взаимно усиливают и пролонгируютсвои биологические эффекты.
Важную роль в антиоксидантной защите играют карнозин и его производные. Как известно, карнозин является природным дипептидом, способным метаболизироваться в организме человека и животных, обладает стабилизирующим эффектом в отношении pH среды, а также способностью взаимодействия с OH, супероксиданионрадикалом и гипохлориданионом с последующей их инактивацией. Карнозин регулирует за счет антиоксидантных свойств поведенческие реакции. [15]
.2.2 Водорастворимые антиоксиданты
Водные среды организма представляют собой естественную и вездесущую матрицу жизненных процессов. Присутствие в жидкостных средах организма легкоокисляющихся липидных образований приводят к сдвигу гомеостатического равновесия в направлении интенсификации окислительных, деструктивных в своей основе процессов.
Поэтому в организме существуют специализированные антиоксидантные системы, ответственные за стабильность прооксидантон-антиоксидантного равновесии жидкостных сред организма. К их числу относятся система восстановленный - окисленный глутатион, система аскорбиновой кислоты, фенольные соединения. [4]
Глутатион (2-амино-5-{[2-[(карбоксиметил)амино]-1-(меркаптометил)-2-оксоэтил]амино}-5-оксопентаноевая кислота, GSH) - это трипептид <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9F%D0%B5%D0%BF%D1%82%D0%B8%D0%B4> γ-глутамилцистеинилглицин. Глутатион содержит необычную пептидную связь между амино-группой цистеина <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A6%D0%B8%D1%81%D1%82%D0%B5%D0%B8%D0%BD> и карбокси-группой боковой цепи глутамата <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%93%D0%BB%D1%83%D1%82%D0%B0%D0%BC%D0%B0%D1%82>. Значение глутатиона в клетке <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9A%D0%BB%D0%B5%D1%82%D0%BA%D0%B0> определяется его антиоксидантными <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%90%D0%BD%D1%82%D0%B8%D0%BE%D0%BA%D1%81%D0%B8%D0%B4%D0%B0%D0%BD%D1%82> свойствами. Фактически глутатион не только защищает клетку от таких токсичных агентов, как свободные радикалы <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D0%B2%D0%BE%D0%B1%D0%BE%D0%B4%D0%BD%D1%8B%D0%B9_%D1%80%D0%B0%D0%B4%D0%B8%D0%BA%D0%B0%D0%BB>, но и в целом определяет редокс <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9E%D0%BA%D0%B8%D1%81%D0%BB%D0%B8%D1%82%D0%B5%D0%BB%D1%8C%D0%BD%D0%BE-%D0%B2%D0%BE%D1%81%D1%81%D1%82%D0%B0%D0%BD%D0%BE%D0%B2%D0%B8%D1%82%D0%B5%D0%BB%D1%8C%D0%BD%D1%8B%D0%B9_%D0%BF%D0%BE%D1%82%D0%B5%D0%BD%D1%86%D0%B8%D0%B0%D0%BB>-статус внутриклеточной среды <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A6%D0%B8%D1%82%D0%BE%D0%BF%D0%BB%D0%B0%D0%B7%D0%BC%D0%B0>. В клетке <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9A%D0%BB%D0%B5%D1%82%D0%BA%D0%B0> тиоловые <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A2%D0%B8%D0%BE%D0%BB> группы находятся в восстановленном состоянии (SH) в концентрации около 5 мМ <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D0%BE%D0%BB%D1%8F%D1%80%D0%BD%D0%BE%D1%81%D1%82%D1%8C>. Фактически, такая высокая концентрация глутатиона в клетке приводит к тому, что он восстанавливает любую дисульфидную связь <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%94%D0%B8%D1%81%D1%83%D0%BB%D1%8C%D1%84%D0%B8%D0%B4%D0%BD%D0%B0%D1%8F_%D1%81%D0%B2%D1%8F%D0%B7%D1%8C> (S-S), образующуюся между цистеинами цитозольных белков <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%91%D0%B5%D0%BB%D0%BE%D0%BA>. При этом восстановленная форма глутатиона GSH превращается в окисленную GSSG. Восстанавливается окисленный глутатион под действием фермента <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A4%D0%B5%D1%80%D0%BC%D0%B5%D0%BD%D1%82> глутатионредуктазы <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%93%D0%BB%D1%83%D1%82%D0%B0%D1%82%D0%B8%D0%BE%D0%BD%D1%80%D0%B5%D0%B4%D1%83%D0%BA%D1%82%D0%B0%D0%B7%D0%B0>, который постоянно находится в клетке в активном состоянии и индуцируется при окислительном стрессе <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9E%D0%BA%D1%81%D0%B8%D0%B4%D0%B0%D1%82%D0%B8%D0%B2%D0%BD%D1%8B%D0%B9_%D1%81%D1%82%D1%80%D0%B5%D1%81%D1%81>. Отношение восстановленный/окисленный глутатион внутри клетки является одним из важнейших параметров, который показывает уровень внутриклеточной токсичности (уровень окислительного стресса <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9E%D0%BA%D0%B8%D1%81%D0%BB%D0%B8%D1%82%D0%B5%D0%BB%D1%8C%D0%BD%D1%8B%D0%B9_%D1%81%D1%82%D1%80%D0%B5%D1%81%D1%81>). [6, 9]
Функции АО - защиты системы глутатиона:
-защита от активных форм кислорода;
восстановление и изомеризвция дисульфидных связей;
защита SH-групп белков цитоплазмы от окисления;
детоксикация Н2О2, а также гидропероксидов, которые возникают при реакции АФК (активных форм кислорода) с ненасыщенными жирными кислотами мембраны клеток;
-регулирование деятельности других антиоксидантов.
Небелковые тиоловые соединения участвуют в клеточной пролиферации и стимулируют ее. Наряду с глутатионом естественным фактором антиоксидантной защиты, в частности, клеток крови эрготионэин-тоилгистидин. Он близок пофункции к металлоионеинам - низкомолеулярным белкам (ММ 6-7 кДа), не обладающим ферментативной активностью и связывающим ионы тяжелых металлов с переменной валентностью. Молекула состоит из одной полипептидной цепи, содержащей 61 аминокислотный остаток, из них 20 остатков цистеина. Связывает атомы Cu, Zn, Cd, Hg, Fe и др. [2]
Вторая по значимости АО-система биологических жидкостей - система аскорбиновой кислоты (АК)
Такой важный водорастворимый антиоксидант, как аскорбиновая кислота в организме человека не синтезируется, а поступает с пищевыми продуктами (преимущественно овощами и фруктами), в т.ч. в виде окисленной формы - дегидроаскорбиновой кислоты. До сих пор не определены все ферменты, в состав простетических групп которых входит витамин С. Одним из основных свойств витамина является способность к окислительно-восстановительным превращениям. Аскорбиновая кислота способна окисляться в дегидроаскорбиновую кислоту, переход осуществляется через промежуточную стадию нестойкогоинтермедиата - семидегидроаскорбата (аскорбили), и, таким образом, вместе с ней она представляет окислительно-восстановительную систему, теряющую и присоединяющую электроны и протоны.
AK« семиДАК « ДАК
При этом витаминная активность не снижается (менее стойкая и теряет биологическую активность дегидроаскорбиновая кислота). ДАК проходит через мембраны, являясь транспортной формой витамина С. АК В клетках и прежде всего в крови присутствуют все три члена системы, однако в физиологических условиях равновесие сильно сдвинуто влево, в сторону наиболее восстановленного члена АК. это состояние Характеризует резервные возможности АО-буферной системы AK« семи ДАК « ДАК, как ее способность в определенных пределах стабиизировать прооксидантно-аниоксидантное равновесие в биологических жидкостях, связывая и инактивируя АФК: О2