Внемитохондриальное окисление. Активные формы кислорода. Система антиоксидантной защиты

1.

Внемитохондриальное окисление.
Активные формы кислорода.
Система антиоксидантной защиты.
лектор: доц. И.Л. Соловцова

2.

Внемитохондриальное
окисление
Различают четыре типа:
• Десатуразное
• Оксидазное
• Монооксигеназное
• Диоксигеназное

3.

Десатуразы (катализируют 4- электронное
восстановление кислорода)
• Биологическая роль: образование ненасыщенных
жирных кислот из насыщенных
• Наиболее значимой является стеароил-КоА-десатураза
(Δ9-десатураза). Представляет собой белковый комплекс,
встроенный в мембрану эндоплазматического
ретикулума, состоящий из цитохрома b5, цитохром b5редуктазы, которая содержит ФАД и использует НАДФН2
для восстановления Fe3+ цитохрома b5
Стеароил-КоА + О2 + НАДФН2
олеил-КоА + 2Н2О + НАДФ
(пальмитоил-КоА)
(пальмитоолеил-КоА)
• У человека имеются также Δ5-десатураза и Δ6-десатураза, которые
участвуют в реакциях превращения линолевой кислоты (С18:2;9,12)
в арахидоновую (С20:4;5,8,11,14)

4.

Электрон-транспортная цепь
в десатурации жирных кислот

5.

Оксидазы
Содержатся в пероксисомах, являются
металлофлавопротеинами ( содержат ФАД или ФМН и
ионы металлов с переменной валентностью: Cu, Mo, Fe)
SH2 + O2
S + H2O2
Биологическая роль:
1. Участвуют в катаболизме аминокислот, биогенных
аминов, пуринов
2. Участвуют в образовании поперечных сшивок в
коллагене и эластине
3. Продуцируют H2O2 – окислитель, участвующий в
фагоцитозе

6.

Механизм оксидазного окисления

7.

Роль оксидаз в биогенезе коллагена

8.

Формирование ковалентных сшивок в
фибриллах коллагена
Альдегидные группы самопроизвольно взаимодействуют друг с другом или реагируют с
аминогруппой остатков лизина или 5-гидроксилизина, обеспечивая образование ковалентных
сшивок между соседними молекулами тропоколлагена

9.

На рисунке схематически представлены
трехспиральные молекулы тропоколлагена
после наложения внутри и межмолекулярных
сшивок, которые изображены в виде стрелок.
Трехспиральные
молекулы
тропоколлагена
Гидроксигруппы
Внутри и межмолекулярные
сшивки
Углеводные
компоненты

10.

Монооксигеназы
Катализируют реакции внедрения в субстрат одного атома
«О» , т.е. реакции гидроксилирования
SН + О2 + НАДФН2
S-ОН + Н2О + НАДФ
В передаче 2-ух атомов «Н» от НАДФН2 на О2 участвуют
разные дополнительные переносчики. В зависимости от
их строения монооксигеназы делят на 4 группы:
1. Цитохром Р450 монооксигеназа
2. Биоптериновые монооксигеназы
3. Медьсодержашие монооксигеназы, зависимые от
аскорбиновой кислоты
4. Монооксигеназы, сопряжённые с окислением αкетокислот, зависимые от аскорбата

11.

Цитохром Р450 монооксигеназа
Представляет собой белковый комплекс встроенный в
мембраны ЭПР, содержащий флавиновую цитохром Р450редуктазу, цитохром Р450 или цитохром b5, и/или Fe/S.
Субстраты содержат алифатические или ароматические
циклы
Биологическая роль:
1. Участвует в синтезе БАВ ( витамин D3, желчные кислоты,
стероидных гормонов)
2. Участвует в обезвреживании ксенобиотиков

12.

Электрон-транспортные системы мембран ЭПР

13.

Биоптериновые монооксигеназы
Представляют собой белковый комплекс, состоящий из 2-ух
ферментов:
1. Гидроксилазы, содержащей Fe2+ и использующей кофермент
тетрагидробиоптерин (ТГБП)
2. Дигидробиоптеринредуктазы, коферментом которой является
НАДФН2
Субстраты: Трп 5(ОН)Трп
серотонин
Фен Тир
ДОФА
адреналин
Арг
NO (сигнальная молекула, обладает сосудорасширяющим,
бактерицидным действием, снижает агрегацию тромбоцитов)
Бологическая роль: участвуют в синтезе сигнальных молекул

14.

Медьсодержащие монооксигеназы, зависимые от
аскорбата
Для восстановления атома «О» используют аскорбиновую
кислоту (витамин С)
SH + O2 + аскорбат
S-OH + H2O + дегидроаскорбат
(дофамин)
(норадреналин)
Биологическая роль: участвуют в синтезе сигнальных молекул
Дегидроаскорбиновая кислота восстанавливается затем под действием
дегидроаскорбатредуктазы ( содержит ФАД и использует кофермент
НАДН2), встроенной во внутреннюю мембрану митохондрий со
стороны матрикса

15.

Синтез катехоламинов

16.

Монооксигеназы, сопряженные с окислением αкетокислот, зависимые от аскорбата
Эти монооксигеназы не нуждаются в НАДФН2 (НАДН2) и не
образуют воду. В качестве акцептора одного из атомов
«О» используют α- кетоглутарат, который теряет СО2 и
превращается в сукцинат. Содержат Fe2+, для
поддержания в восстановленном состоянии которого
необходим витамин С.
Локализованы в шероховатом ЭПР
Биологическая роль: участвуют в созревании коллагена
• Протеин-лизил-5-гидроксилаза (диоксигеназа)
• Протеин-пролил-3-гидроксилаза (диоксигеназа)
• Протеин-пролил-4-гидроксилаза (диоксигеназа)
При недостатке витамина С образуется рыхлый коллаген

17.

18.

19.

Диоксигеназы
Включают 2 атома «О» в молекулу субстрата
S + O2
SO2
Субстраты: циклические молекулы, в результате окисления
цикл разрывается, что делает возможным их
дальнейшее расщепление до конечных продуктов
Например: гемдиоксигеназа, диоксигеназа
гомогентизиновой кислоты, L-триптофандиоксигеназа
Биологическая роль: катаболизм циклических структур

20.

Катаболизм тирозина происходит с участием
диоксигеназы гомогентизиновой кислоты

21.

Активные формы кислорода.
Система антиоксидантной
защиты.

22.

Молекула кислорода обладает высокой реакционной способностью, но в
силу спинового запрета является довольно стабильной инертной
молекулой. Неспаренные электроны О2 обладают параллельными
спинами. Внедрение пары электронов в незаполненные орбитали
невозможно без инверсии спина одного из электронов

23.

Основной путь метаболизма О2 в организме
сопровождается 4-х электронным
восстановлением и образованием воды
О2 + 4е- + 4Н+
2 Н2О
Этот путь протекает в митохондриях и потребляет
95-98% О2 поступающего в организм

24.

Совокупность окислительно-восстановительных реакций, протекающих
в митохондриях с участием кислорода и ферментов обозначают
термином – митохондриальное окисление
Источником электронов и протонов являются субстраты, получившиеся в
ходе катаболизма питательных веществ

25.

В реакциях , связанных с 1-3-х электронным
восстановлением О2 участвуют вещества,
которые сами содержат неспаренные электроны:
Fe2+, Cu+, Co2+, Mn2+, V2+,Cr4+
KoQ
При этом образуются активные формы
кислорода (АФК)
АФК — это, с физико-химической точки зрения,
прежде всего свободные радикалы, которые
имеют на внешней электронной оболочке
неспаренный электрон.
Свободные радикалы отличаются от обычных молекул не только
высокой химической активностью, но и тем, что порождают
цепные реакции. "Отобрав" доступный электрон у оказавшейся
рядом молекулы, радикал превращается в молекулу, а донор
электрона – в радикал, который может продолжить цепь
дальше.

26.

Образование первичных АФК

27.

Образование синглетного кислорода
S + h√ → T
S – фотосенсибилизатор (пигмент) в основном состоянии
Т - фотосенсибилизатор в возбуждённом состоянии
T + O2 → S + O21
синглетный кислород
О2
1
О2

28.

К АФК также относятся:
Образуются ферментативным путем:
Гипогалоиды: HOCl, HOBr, HOJ
Оксид азота (NO) образуется из Арг под действием NO-синтазы)
Образуются неферментативным путем:
Алкдиоксильный радикал: RO2˙
Алкоксильный радикал: RO ˙
Алкильный радикал: R˙
Пероксинитрит: ONOOˉ
образуются из ВЖК

29.

Функции NO:
-регулирует тонус гладких мышц и сосудов
-ингибирует агрегацию тромбоцитов
-являясь сильным окислителем, обладает бактерицидным,
цитотоксическим, противоопухолевым и противовирусным
эффектами

30.

Пероксидазы, использующие Н2О2
• Миелопероксидаза нейтрофилов ( врожденная недостаточность
сопровождается грибковыми поражениями слизистой ротовой
полости)
Cl- + H2O2
OCl- + H2O
гипохлорит – очень сильный окислитель,
используется в неспецифической защите от микробов
• Лактопероксидаза вырабатывается слюнными и молочными
железами
SCN- + H2O2
тиоцианат
OSCN- + H2O
гипотиоцианат – обладает широким спектром
антимикробного действия
• Йодидпероксидаза (тиреопероксидаза) органифицирует йод,
участвует в синтезе гормонов щитовидной железы Т3 и Т4

31.

32.

Образование АФК может происходить
неферментативным путём с участием гем-содержащих
белков, биогенных аминов и флавоноидов
Hb-Fe2+ + O2 → Hb-Fe3+ + O2˙ˉ
Гемоглобин
метгемоглобин
Катехоламины + O2 → Меланины + O2˙ˉ

33.

Взаимодействие АФК c липидами
Реакции ПОЛ (перекисного окисления липидов) являются свободнорадикальными
и постоянно протекают в клетке. ПОЛ включает 3 стадии: инициация,
распространение и терминация.

34.

АФК способны к спонтанным превращениям :
Реакция супероксида с пероксидом водорода
О2˙ˉ + Н2О2 → О2 + НО˙ + НОˉ
Реакция дисмутации супероксидных анионрадикалов
О2 ˙ˉ + О2 ˙ˉ → О2²ˉ + О2 1
Реакция хлорноватистой кислоты с перекисью водорода
НСlO + H2O2 → H2O + Cl ˉ + О2 1

35.

АФК генерируются во всех частях клетки:
1. Митохондриальная электрон-транспортная цепь
2. Пероксисомы ( оксидазы, флавопротеины)
3. Плазматическая мембрана (моноосигеназы,
простагландинсинтетаза, НАДФН-оксидаза при
фагоцитозе, перекисное окисление липидов)
4. Эндоплазматический ретикулум и ядерная
мембрана (транспортная система ц/х Р450 ,
десатуразные комплексы)

36.

Генерация АФК в митохондриях связана
с KoQ
KoQH2 + O2 → KoQH˙ + H+ + O2˙ˉ
гидрохинон
семихинон-свободный радикал
KoQH˙ + O2 → KoQ + H+ + O2˙ˉ
хинон

37.

Образование АФК в митохондриях

38.

Наибольшее количество АФК продуцируется
фагоцитирующими клетками в процессе «окислительного
взрыва»
При контакте чужеродных агентов с фагоцитами происходит сборка
мультиферментного мембранного комплекса НАДФН-оксидазы за счет
взаимодействия ее мембранных и цитозольных компонентов
НАДФН (внутриклеточный) + 2О₂ (внеклеточный)
НАДФ⁺ (внутриклеточный) + Н⁺ (внутриклеточный) + 2О₂˙ ̄ (внеклеточный)
Параллельно в процесс фагоцитоза включается миелопероксидаза,
что приводит к генерации гипохлорита, синглетного кислорода.
Уровень Н₂О₂ возрастает за счет активации аминооксидаз и
ксантиноксидазы.
Действие больших количеств АФК направлено на разрушение
чужеродных агентов, при этом происходит их избыточное накопление,
что может вызвать глубокие нарушения в тканях

39.

Полезные функции АФК
• Защитная: макрофаги убивают микроорганизмы, разрушают
поврежденные, старые, иммунологически несовместимые,
злокачественные, поврежденные вирусами клетки
• Обновляющая: остеокласты применяют АФК для разрушения кости –
обязательное условие для ее обновления). АФК в низких
субтоксических концентрациях индуцируют экспрессию генов и
деление клеток
• Иммунная: АФК активируют иммунные реакции в лейкоцитах:
индуцируют синтез ряда цитокинов, иммунных рецепторов, белков
острой фазы и адгезии (последние способствуют выходу лейкоцитов в
ткани, что важно при воспалении)
• Регуляторная: стимулируют накопление в клетках цАМФ и цГМФ,
ионов кальция, стимулируют фосфорилирование белков в результате
активации протеинкиназ (особенно протеинкиназы С и
протеинтирозинкиназ).
Клетки эндотелия образуют NO для регуляции кровяного давления.
Перекись водорода используется в синтезе тироксина

40.

Факторы, вызывающие образование АФК

41.

Повреждающее действие АФК
Окислению подвергаются биомолекулы:
1) Аминокислоты в белках (Трп, Тир, Гис, Цис, Арг, Лиз), что может
приводить либо к образованию ковалентно сшитых белковых агрегатов,
либо разрыву пептидных связей. Окисленные белки подвергаются
протеолизу.
2) Полиненасыщенные высшие жирные кислоты в составе липидов
мембран ( линолевая, линоленовая и особенно арахидоновая).
Образуются перекисные радикалы ROO*, инициирующие в мембранах
свободнорадикальное окисление по цепному механизму. Продуктами
являются высокореакционные альдегиды, в т. ч. малоновый диальдегид.
Изменяется микровязкость мембран, проницаемость для воды и ионов.
3) Нуклеотиды в ДНК : окисление аденина и гуанина может приводить к
точечным мутациям, атака гидроксильным радикалом дезокси-рибозы –
к разрывам в цепях ДНК

42.

Система антиоксидантной защиты.
Ферменты – антиоксиданты
Супероксиддисмутаза (СОД) – очень активный фермент,
содержится в митохондриях, цитоплазме, а также вне клеток
O2˙ˉ + O2˙ˉ + 2 Н+
О2 + Н2О2
Каталаза
2 Н2О2
О2 + 2 Н2О
Глутатионпероксидаза – восстанавливает Н2О2 или
органические пероксиды (ROOH) за счет трипептида глутатиона :
ϒГлу-Цис-Гли (Г-SH)
2 Г – SH + H2O2
восстановленный
глутатион
2ГSH + ROOH
2 H2O + Г - S - S - Г
окисленный
глутатион
ГS-SГ + ROH +H2O

43.

Система антиоксидантной защиты.
Антиоксиданты неферментной природы
(«ловушки свободных радикалов»)
Гидрофильные (действуют в жидкой фазе):
Глутатион, мочевая кислота, билирубин, цистеин, витамин С,
белки, переносящие металлы с переменной
валентностью: церулоплазмин (Cu2+) и трансферрин (Fe3+)
Гидрофобные (действуют на уровне мембран)
Токоферолы (витамин Е), ретинол (витамин А),
биофлавоноиды

44.

45.

Спасибо за внимание!