Мал. 8

При переході від одного переносника до іншого електрон поступово, невеликими порціями втрачає потенціал. Падіння потенціалу пов'язане зі зміною вільної енергії. У міру зменшення потенціалу вільна енергія, що виділилася, трансформується в хімічну форму, зручну для використання клітиною.

1.2 Вільнорадикальне окислення в біологічних мембранах

Активні форми кисню - ініціатори перекисного окислення ліпідів

Для клітини дуже важливо, щоб молекула кисню, приєднавши чотири електрони, повністю відновлювалась до двох молекул води. У результаті переносу першого електрону до молекули О2 утворюється супероксидний іон-радикал . На наступному етапі перенос другого електрону і двох протонів призводить до утворення пероксиду водню Н2О2 внаслідок розриву одного з двох зв'язків між атомами у молекулі кисню. Нарешті, при розриві другого зв'язку між атомами кисню та акцепції третього електрону утворюється гідроксильний радикал ОН, а приєднання четвертого електрону закінчує процес відновлення молекули кисню утворенням двох молекул води. Нестійкі продукти, що виникають у ході цього універсального процесу, , Н2О2, ОН [3]- активні форми кисню (АФК) - через можливий «витік» з системи транспорту електронів, можуть грати роль ініціаторів процесу не ферментативного пер оксидного окислення (ПО), особливо при прискоренні процесу окислювального фосфорилювання.

У відсутності вільно радикального ініціатора процес не йде. Зокрема, присутність в органічному субстраті, що легко окислюється, речовин-перехоплювачів, інактиваторів радикалів, запобігає виникненню і розвитку в ньому окислювальних неферментативних реакцій. Однак радикали виступають не тільки в ролі ініціаторів ПО. При взаємодії радикалу з молекулою органічної сполуки утворюється новий радикал і нова молекула. Таким чином, ПО протікає як ланцюговий процес. Кінетика ПО органічних сполук відповідає механізму розгалужених (у кожному циклі реакції замість одного радикалу виникає три нових; кількість активних продуктів збільшується лавиноподібно) і вироджено-розгалуджених (кількість активних продуктів повільно збільшується за рахунок періодичного розпаду молекули, що утворюється, на два радикали) радикальних реакцій.

Радикали-ініціатори реакцій ПО можуть виникати під впливом квантів випромінювання - іонізуючого, УФ і навіть видимого, що падає ззовні або виникає усередині органічного субстрату (за рахунок вмісту в ньому природних радіонуклідів). В ролі ініціаторів ПО можуть виступати радикали, що утворюються під час функціонування електронно-транспортних ланцюгів, при взаємодії іонів заліза з киснем (Fe2+ + О2- Fe3+ + Н) і т.п. [4]. Практично в клітинах будь-якого організму в кожний момент його життєдіяльності присутні радикали різної структури, здатні взяти на себе роль ініціаторів ПО.

Найбільш ефективно реакції ПО розвиваються в ліпідвмісних структурах (перекисне окислення ліпідів - ПОЛ), насамперед у біологічних мембранах, зокрема, при впливі іонізуючої радіації [5].

Відомо, що структура мембран ускладнює доступ молекулярного кисню в клітину внаслідок сильно вповільненої дифузії його через ліпідний бішар [5, 6], а також у результаті активного функціонування системи регуляції стаціонарного рівня кисню в клітині. Зміст у клітці молекулярного кисню становить усього 10-6 М 3], ще нижче рівень АФК. Саме низький рівень кисню і АФК забезпечує протікання корисних оксидазних біологічних процесів, а також нормальне протікання вільнорадикальних процесів ліпопероксидації в біологічних мембранах.

Вільнорадикальні реакції ПОЛ беруть участь у нормальних метаболічних процесах і регуляції функцій клітини. Так, гальмуючи або, навпаки, прискорюючи ПОЛ можна змінити склад клітинних мембран, їх структурну організацію й функціональну активність клітини.

Механізм перекисного окислення у біологічних мембранах

Ланцюгова реакція ПОЛ протікає в декілька стадій, які одержали назву ініціювання, продовження і обрив ланцюгу (мал. 9).

Мал. 9 - Стадії ланцюгової реакції ПОЛ

Ініціювання ланцюгової реакції починається з того, що в ліпідний шар мембран або ліпопротеїнів включається вільний радикал. Частіше за все це гідроксильний радикал ОН. Являючись невеликою за розміром незарядженою частинкою, він здатен проникати в товщу гідрофобного ліпідного шару і вступати в хімічну взаємодію з поліненасиченими ЖК (які прийнято позначати як LH), що входять до складу біологічних мембран і ліпопротеїнів плазми крові. При цьому утворюються ліпідні радикали:

LH + ОН L + Н2О (1)

Ліпідний радикал (L) вступає в реакцію з розчиненим в середовищі молекулярним киснем; при цьому утворюється новий вільний радикал - радикал ліпоперекису (LОО):

L + О2 LОО;(2)

Цей радикал атакує одну із сусідніх молекул фосфоліпіду з утворенням гідроперекису ліпіду LOOH і нового радикала L:

LОО + LH LOOH + L.(3)

Чергування реакцій (2) і (3) саме й представляє собою ланцюгову реакцію перекісного окиснення ліпідів.

Істотне прискорення пероксидації ліпідів спостерігається в присутності невеликих кількостей іонів двовалентного заліза. В цьому випадку відбувається розгалуження ланцюгів у результаті взаємодії Fe2+ c гідроперекисами ліпідів:

Fe2+ + LOOH > Fe3+ + HO- + LО.(4)

Радикали LО ініціюють нові ланцюги окиснення ліпідів (мал. 10):

LО + LH > LOH + L;(5)

Мал. 10 - Розгалужена ланцюгова реакція окислення ліпідів

У біологічних мембранах ланцюги можуть складатися з десятка й більш ланок. Але в кінці кінців ланцюг обривається в результаті взаємодії вільних радикалів з антиоксидантами , іонами металів змінної валентності (наприклад, тими ж Fe2+) або один з одним:

LОО + Fe2+ + H+ > LOOH;(6)

LOO + HIn LOOH + In;(7)

LOO + LOO > молекулярні продукти(8)

Остання реакція особливо цікава, оскільки вона супроводжується світінням (хемілюмінесценцією). Інтенсивність "надслабкого" світіння однозначно відбиває швидкість ліпідної пероксидації в досліджуваному біологічному матеріалі, і вимір хемілюмінесценції досить часто використовується при вивченні перекисного окислення ліпідів у різних об'єктах 3].

Якщо частота обривів ланцюгу переважає над частотою розгалужень, процес ПО припиняється. При зворотнім співвідношенні цих реакцій швидкість ПО поступово зростає в міру збільшення кількості активних продуктів і залучення в процес зростаючої кількості молекул субстрату. Звідси одна з найважливіших особливостей ПО - і під час відсутності специфічних каталізаторів (ферментів) процес розвивається, самоприскорюючись, аутокаталітично за наявності сприятливих умов: температури, вільного доступу молекулярного кисню й достатньої кількості радикалів-ініціаторів 3].

Таким чином, продуктами пероксидного окислення ненасичених ЖК можуть бути альдегіди, кетони, диальдегіди, епоксиди тощо, наприклад (мал. 11):

Мал. 11

1.3 Фізіологічна антиоксидантна система

1.3.1 Антиоксидантні ферменти клітини

До числа АО-ферментів відносяться супероксиддисмутаза (СОД), що інактивує супероксидний аніон-радикал ; каталаза, що розкладає пероксид водню Н2О2, а також ферменти системи глутатіону (Г-SH): глутатіонпероксидаза (ГПО), що розкладає поряд з Н2О2 також органічні (ліпідні) перекиси, глутатіонредуктаза (ГР), що відновлює глутатіон, окиснений у ході ферментативних (ГПО) і неферментативних реакцій, і сімейство глутатіонтрансфераз (ГТ), що алкілують глутатіоном різноманітні токсичні метаболіти. Нарешті, до числа АО-ферментів відноситься церулоплазмін - головний АО-фермент крові, а також частково трансферрин.

Супероксиддісмутаза (СОД) - каталізує реакцію

+ + 2Н+ О2 + Н2О2.(9)

У результаті реакції утворюється пероксид водню, здатний інактивувати СОД [3]. Тому СОД локалізована й функціонує звичайно в співдружності з каталазою, що швидко й ефективно розкладає Н2О2. Активний центр ферменту містить атоми металів зі змінною валентністю. Наприклад, у матриксі мітохондрій присутня й дисмутує радикали , що «витікають» з електроно-транспортного ланцюга, СОД, яка містить марганець.

Каталаза - каталізує реакцію

Н2О2 + Н2О2 О2 + 2Н2О(10)

Реакція протікає у дві стадії: спочатку утворюється комплекс ферменту з однієї, потім - із другою молекулою пероксиду водню. Каталаза здатна реагувати й з іншими донорами водню, у цьому випадку комплекс ферменту з однією молекулою пероксиду реагує із субстратами подібно пероксидазі:

Каталаза + Н2О2 + RH R + 2Н2О + Каталаза(11)

Основна функція каталази в клітині - розкладання пероксиду водню, що утворюється при дисмутації супероксидного аніон-радикала [7]. Найбільш висока активність каталази відзначена в гепатоцитах.

Гемоглобін й міоглобін, піддаючись окисній атаці й перетворюючись відповідно в метгемоглобін і метміоглобін, вивільняють при цьому СОД і каталаза, що знаходяться в еритроцитах і м'язах усувають його продукцію [3].

Таким чином, АО-ферменти СОД і каталаза, функціонуючи спільно, у більшості випадків вчасно інактивують АФК - і Н2О2, що утворюються як у процесі нормальної життєдіяльності клітин, так і в умовах значної активації ПОЛ, у тому числі патологічно обумовленої. Однак найбільше ефективно ПОЛ активується в ліпідних (фосфоліпідних) структурах біомембран і супроводжується утворенням ліпідних пероксидів, що слабко усуваються системою СОД - каталаза.

1.3.2 Система глутатіону

Глутатіонзалежна антиоксидантна система (АОС) включає три глутатіон-залежних ферменти: ГПО, ГР і ГТ. Центральний метаболіт системи - трипептид глутатіон, (Г-SH) - глутамілцистеїнілгліцин [8, 9], що володіє й власної антиоксидантною активністю й функціонує у якості кофактора, донора водню, метаболіту й субстрату з ферментами системи, а також із СОД і каталазою:

З функціональної точки зору в АОС глутатіону можна виділити чотири ланки:

1) забезпечення функціонування системи - ГР;

2) детоксикації пероксидних сполук - ГПО й каталаза;

3) антирадикального захисту - СОД і Г-SH,

4) детоксикації електрофільних сполук - ГТ [9].

Глутатіонредуктаза (ГР) каталізує реакцію:

2НАД(Ф)Н + ГS-SГ 2НАД(Ф) + 2Г-SH(12)

Центральне місце цього ферменту в метаболізмі глутатіону й усієї його системи пов'язане з тим, що він здійснює єдиний відомий механізм відновлення Г-SH з його окисненої форми ГS-SГ Інші ферменти, крім глутатіонсинтетаз, є споживачами відновленого глутатіону [9].

Глутатіонпероксидаза (ГПО) каталізує реакцію:

2Г-SH + Н2О2 ГS-SГ + 2Н2О (13)

ГПО знешкоджує не тільки Н2О2, але й органічні, у тому числі ліпідні пероксиди, що утворюються в організмі при активації ПОЛ.

Глутатіонтрансфераза (ГТ) каталізує реакції типу:

RX + Г-SH НХ + ГS-SГ(14)

З віком активність АО-ферментів крові людей суттєво зростає, досягаючи максимуму у віці 61-65 років, що перевищує рівень у молодих на 25-40 %. Найбільше сильно активується ГПО [3], що можна розглядати як непряме підтвердження вільнорадикальної теорії старіння.

1.3.3 Жиророзчинні антиоксиданти

Слідом за цитохром-с-оксидазою і АО-ферментами клітини третю лінію АО- захисту утворюють речовини-антиоксиданти, що володіють антирадикальною й антипероксидною активностями й перебувають там, де розташовані субстрати-мішені атаки вільних радикалів і пероксидів, найбільш уразливі для процесу ПОЛ біологічні структури [3]. До таких структур належать насамперед біологічні мембрани, а найбільш адекватними мішенями в них є поліненасичені (полієнові) жирні кислоти - линолева (2), ліноленова (3), арахідонова (4 подвійних зв'язки).

Із числа жиророзчинних АО-мембранопротекторів найважливішу роль відіграє б-токоферол - вітамін Е. Молекула токоферолу складається з бензольного ядра з гідроксильною групою, що виконує АО-функцію, і бічного ланцюга молекули, що здійснює взаємодію молекули токоферолу з мембранними структурами [3], зокрема, з вуглеводневим ланцюгом арахідонової кислоти, що підвищує ефективність АО-захисту мембран:

Головна АО-функція токоферолу полягає в тому, що він завдяки наявності в молекулі лабільного атома водню взаємодіє з пероксидними радикалами ліпідів, відновлюючи їх у гідропероксиди і перериваючи, таким чином, ланцюгову реакцію пероксидації [10]:

Утворений вільнорадикальний продукт токоферолу є малоактивним і вступає в реакцію рекомбінації з утворенням димерних і тримерних форм б-токоферолу и б-токоферилхінону, які підлягають екскреції. Інакше кажучи, він зупиняє процес утворення перекисів ліпідів у клітинних мембранах, зберігаючи цим їх цілісність і функціональну активність.

Вітамін А (ретинол, ретиналь, ретиноїва кислота) та його провітаміни в-каротин та інші каротиноїди. Під назвою вітамін А об'єднується група похідних рослинних пігментів - каротинів. З хімічної точки зору ретинол являє собою циклічний ненасичений одноатомний спирт, який складається із шестичленного кільця (в-іонона), двох залишків ізопрену та первинної спиртової групи. Вітамін А2 відрізняється від А1 наявністю додаткового подвійного зв'язку в положенні 3-4 кільця циклогексану. Вітаміни А1 і А2 мають однакову біологічну дію і фізико-хімічні властивості, проте вітамін А2 є менш активним. Основною структурною особливістю, обумовлюючою хімічну і біологічну, зокрема, АО-активність є наявність системі спряжених, одинарних і подвійних зв'язків, що чергуються, між атомами вуглецю:

Страницы: 1, 2, 3