5.2 Реакции ЦТК

Начальная реакция - конденсация ацетил-СоА и оксалоацетата, катализируется конденсирующим ферментом, цитратсинтетазой, при этом происходит образование связи углерод-углерод между метальным углеродом ацетил-СоА и карбонильным углеродом оксалоацетата.

За реакцией конденсации, приводящей к образованию цитрил-СоА, следует гидролиз тиоэфирной связи, сопровождающийся потерей большого количества свободной энергии в форме теплоты; это определяет протекание реакции слева на право до ее завершения:

Ацетил-СоА + Оксалоацетат + Н₂О > Цитрат + CoA-SH.

Превращение цитрата в изоцитрат катализируется аконитазой, содержащей железо в двухвалентном состоянии. Эта реакция осуществляется в две стадии: сначала происходит дегидратация с образованием цис-аконитата (часть его остается в комплексе с ферментом), а затем - гидратация и образование изоцитрата:

Цитрат - цис-Аконитат - Изоцитрат - Н₂О.

Реакция ингибируется фторацетатом, который сначала превращается во фторацетил-СоА; последний конденсируется с оксалоацетатом, образуя фторцитрат. Непосредственным ингибитором аконитазы является фторцитрат, при ингибировании накапливается цитрат.

Эксперименты с использованием промежуточных соединений показывают, что аконитаза взаимодействует с цитратом ассиметрично: она всегда действует на ту часть молекулы цитрата, которая образовалась из оксалоацетата.

Возможно, что цис-аконитат не является обязательным интермедиатом между цитратом и изоцитратом и образуется на боковой ветви основного пути.

Далее изоцитратдегидрогеназа катализирует дегидрогенирование с образованием оксалосукцината. Описаны три различных формы изоцитратдегидрогеназы.

Одна из них, НАД-зависимая, найдена только в митохондриях. Две другие формы являются НАДФ-зависимыми, причем одна из них также находится в митохондриях, а другая в цитозоле. Окисление изоцитрата, связанное с работой дыхательной цепи, осуществляется почти исключительно НАД-зависимым ферментом:

Изоцитрат + НАД⁺ - Оксалосукцинат (в комплексе с ферментом) - альфакетоглутарат + СО₂+ НАДН₂.

Далее следует декарбоксилирование с образованием альфакетоглутарата, которое также катализируется изоцитратдегидрогеназой. Важным компонентом реакции декарбоксилирования являются ионы Mg²⁺ (или Мn²⁺).

Судя по имеющимся данным, оксалосукцинат, образующийся на промежуточной стадии реакции, остается в комплексе с ферментом.

Альфакетоглутарат, в свою очередь, подвергается окислительному декарбоксилированию, сходному с окислительным декарбоксилированием пирувата: в обоих случаях субстратом является альфакетокислота.

Реакция катализируется альфакетоглутаратдегидрогеназным комплексом и требует участия того же набора кофакторов - тиаминдифосфата, липоата, НАД⁺, ФАД и СоА; в результате образуется сукцинил-СоА - тиоэфир, содержащий высокоэнергетическую связь:

б-кетоглуторат + НАД⁺ + CoA-SH > Сукцинил-СоА + СО₂ + НАДН+Н⁺.

Равновесие реакции настолько сильно сдвинуто в сторону образования сукцинил-СоА, что ее можно считать физиологически однонаправленной. Как и при окислении пирувата, реакция ингибируется арсенатом, что приводит к накоплению субстрата (альфакетоглутарат).

Продолжением цикла является превращение сукцинил-СоА в сукцинат, катализируемое сукцинаттиокиназой (сукцинил-СоА-синтетазой):

Сукцинил-СоА + Ф_Н + ГДФ- Сукцинат + ГТФ + CoA-SH.

Одним из субстратов реакций является ГДФ (или ИДФ), из которого в присутствии неорганического фосфата образуется ГТФ (ИТФ). Это - единственная стадия цикла лимонной кислоты, в ходе которой генерируется высокоэнергетическая фосфатная связь на субстратном уровне; при окислительном декарбоксилировании б-кетоглутарата потенциальное количество свободной энергии достаточно для образования НАДН и высокоэнергетической фосфатной связи. В реакции, катализируемой фосфокиназой, АТФ может образовываться как из ГТФ, так и из ИТФ. Например:

ГТФ+АДФ ГДФ+АТФ.

В альтернативной реакции, протекающей во внепеченочных тканях и катализируемой сукцинил-СоА-ацетоацетат-СоА-трансферазой, сукцинил-СоА превращается в сукцинат сопряженно с превращением ацетоацетата в ацетоацетил-СоА. Впечени имеется диацилазная активность, обеспечивающая гидролиз части сукцинил-СоА с образованием сукцината и СоА.

Далее сукцинат дегидрогенируется, затем присоединяется молекула воды, и следует еще одна стадия дегидрогенирования, приводящая к регенерации оксалоацетата:

Сукцинат + ФАД Фумарат + ФАДН₂.

Первое дегидрогенирование катализируется сукцинатдегидрогеназой, связанной с внутренней поверхностью внутренней митохондриальной мембраны. Это единственная дегидрогеназная реакция ЦТК, в ходе которой осуществляется прямой перенос с субстрата на флавопротеин без участия НАД⁺. Фермент содержит ФАД и железосерный белок. В результате дегидрогенирования образуется фумарат. Как показали эксперименты с использованием изотопов, фермент стереоспецифичен к транс-атомам водорода метиленовых групп сукцината. Добавление малоната или оксалоацетата ингибирует сукцинатдегидрогеназу, что приводит к накоплению сукцината.

Фумараза (фумаратгидротаза) катализирует присоединение воды к фумарату с образованием малата:

Фумарат +Н₂О L-малат.

Фумараза специфична к L-изомеру малата, она катализирует присоединение компонентов молекулы воды по двойной связи фумарата в транс-конфигурации. Малатдегидрогеназа катализирует превращение малата в оксалоацетат, реакция идет с участием НАД⁺:

L-малат + НАД⁺ 0ксалоацетат + НАДН₂.

Хотя равновесие этой реакции сильно сдвинуто в направлении малата, реально она протекает в направлении оксалоацетата, поскольку он вместе с НАДН постоянно потребляется в других реакциях.

Ферменты цикла лимонной кислоты, за исключением альфакетоглутарат- и сукцинатдегидрогеназы, обнаруживаются и вне митохондрий. Однако некоторые из этих ферментов (например, малатдегидрогеназа) отличаются от соответствующих митохондриальных ферментов.

Энергетика цикла лимонной кислоты. В результате окисления, катализируемого дегидрогеназами ЦТК, на каждую катаболизируемую за период одного цикла молекулу ацетил-СоА образуются три молекулы НАДН и одна молекула ФАДН₂. Эти восстановительные эквиваленты передаются в дыхательную цепь, локализованную в митохондриальной мембране. При прохождении по цепи восстановительные эквиваленты НАДН генерируют три высокоэнергетические фосфатные связи посредством образования АТФ из АДФ в процессе окислительного фосфорилирования. За счет ФАДН₂ генерируется только две высокоэнергетические фосфатные связи, поскольку ФАДН₂ переносит восстановительные эквиваленты на кофермент Q и, следовательно, в обход первого участка цепи окислительного фосфорилирования в дыхательной цепи. Еще один высокоэнергетический фосфат генерируется на одном из участков цикла лимонной кислоты, то есть на субстратном уровне, при превращении сукцинил-СоА в сукцинат. Таким образом, за период каждого цикла образуется 12 новых высокоэнергетических фосфатных связей.

5.3 Регуляция цикла лимонной кислоты

Основные процессы, которые поставляют и запасают энергию в клетках, могут быть в общей форме изображены следующим образом:

Глюкоза пируват ацетил-СоА (АДФ, АТФ, СО₂) жирные кислоты.

Регуляция этой системы inter alia должна гарантировать постоянное поступление АТФ соразмерно с существующими в данный момент энергетическими потребностями, обеспечивать превращение избытка углеводов в жирные кислоты через пируват и ацетил-СоА и наряду с этим контролировать экономное расходование жирных кислот через ацетил-СоА как ключевой продукт для входа в цикл лимонной кислоты.

Цикл лимонной кислоты поставляет электроны в электронпереносящую систему, в которой поток электронов сопряжен с синтезом АТФ и в меньшей степени снабжает восстановительными эквивалентами системы биосинтеза промежуточных продуктов. В принципе цикл не может протекать быстрее, чем это позволяет использование образуемой АТФ. Если бы весь АДФ клетки превратился в АТФ, не могло бы быть никакого дальнейшего потока электронов от НАДН, который накапливается, к O2. Ввиду отсутствия НАД⁺, необходимого участника процессов дегидрирования цикла, последний перестал бы функционировать. Существуют более тонкие регуляторные приспособления, которые модулируют действие ферментов в самом цикле лимонной кислоты.

Сукцинатдегидрогеназа находится во внутренней митохондриальной мембране. Все остальные ферменты растворены в матриксе, заполняющем внутреннее пространство митохондрии. Измерения относительных количеств этих ферментов и концентраций их субстратов в митохондриях указывают, что каждая реакция протекает с одинаковой скоростью. Как только пируват (или другой потенциальный источник ацетил-СоА) поступает внутрь матрикса митохондрии, весь цикл протекает внутри этого отсека.

В некоторых участках стимуляция или ингибирование определяется относительными концентрациями НАДН/НАД, АТФ/АДФ или АМФ, ацетил-СоА/СоА или сукцинил-СоА/СоА. Когда эти отношения высоки, клетка достаточно обеспечена энергией и поток через цикл замедлен; когда же они низки, клетка испытывает потребность в энергии, и поток через цикл ускоряется.

Как необратимая реакция, соединяющая метаболизм углеводов с циклом лимонной кислоты, пируватдегидрогеназная реакция должна хорошо контролироваться. Это достигается двумя способами. Во-первых, фермент, который активируется несколькими интермедиаторами гликолиза, конкурентно ингибируется своими собственными продуктами - НАДН и ацетил-СоА. При прочих равных условиях увеличение соотношения НАДН/НАД⁺ от 1 до 3 вызывает 90%-е снижение скорости реакции, а увеличение отношения ацетил-СоА/СоА приводит к количественно подобному эффекту. Эффект проявляется мгновенно. Медленнее возникают, но дольше действуют эффекты другого регуляторного устройства. С сердцевиной каждой молекулы дигидролипоилтрансацетилазы связано около пяти молекул киназы пируватдегидрогеназы, которая за счет АТФ катализирует фосфорилирование серинового остатка в -цепи пируватдегидрогеназного компонента. Будучи фосфорилирован, фермент не способен декарбоксилировать пируват.

Когда происходит окисление жирных кислот, пируватдегидрогеназа заметно ингибируется. По-видимому, это явление объясняется сопутствующими процессу окисления высокими концентрациями АТФ, ацетил-СоА и НАДН. Большинство тканей содержат избыток пируватдегидрогеназы, так что после приема корма в печени, а также в мышце и в жировой ткани у животных в состоянии покоя лишь 40, 15 и 10% пируватдегидрогеназы соответственно находится в активной, нефосфорилированной форме. Когда возрастает потребность в АТФ, концентрации НАД⁺, СоА и АДФ возрастают за счет использования НАДН, ацетил-СоА и АТФ, а киназа инактивируется. Однако фосфатаза продолжает функционировать, вновь активируя дегидрогеназу. Повышение Са²⁺ может активировать митохондриальную фосфатазу.

Синтез цитрата - стадия, лимитирующая скорость цикла лимонной кислоты. Регуляция этой стадии совершается благодаря небольшому, но достаточно значимому ингибированию цитрат-синтетазы посредством НАДН и сукцинил-СоА. Основное же влияние на скорость синтеза цитрата оказывает поступление субстрата.

Активность изоцитратдегидрогеназы регулируется в зависимости от концентраций Mg²⁺, изоцитрата, НАД⁺, НАДН и АМФ. Кроме субстратсвязывающих центров для НАД⁺, изоцитрата и Mg²⁺ фермент имеет еще и положительные, и отрицательные эффекторные участки. Изоцитрат - положительный эффектор; его связывание кооперативно, т. е. связывание на каком-либо одном участке облегчает связывание на других. Оба участка связывания для АМР стимулируют активность фермента.

Таким образом, ферментная активность определяется отношениями НАД⁺/НАДН и АМФ/АТФ.

АМФ - положительный эффектор комплекса -кетоглутаратде-гидрогеназы, который в этом отношении напоминает изоцитратдегидрогеназу. В области физиологических концентраций и сукцинил-СоА, и НАДН обладают ингибирующим действием, причем концентрация сукцинил-СоА, по-видимому, главный фактор, управляющий скоростью процесса. Сукцинатдегидрогеназа напоминает изоцитратдегидрогеназу в том отношении, что субстрат (сукцинат) выполняет функцию положительного аллостерического эффектора. Оксалоацетат - мощный ингибитор, однако неясно, действует ли этот контроль в нормальных условиях [5].

В цикле лимонной кислоты выполняют специфические функции четыре водорастворимых витамина группы В. Рибофлавин входит в состав ФАД, который является кофактором альфакетоглутаратдегидрогеназного комплекса и сукцинатдегидрогеназы. Ниацин входит в состав НАД, который является коферментом трех дегидрогеназ цикла: изоцитратдегидрогеназы, альфакетоглуторатдегидрогеназы и малатдегидрогеназы. Тиамин (витамин В₁) входит в состав тиаминдифосфата, который является коферментом альфакетоглутаратдегидрогеназы. Пантотеновая кислота входит в состав кофермента А, который является кофактором, связывающим активные ацильные остатки.

6. Макроэргические соединения и макроэргические связи

В клетках, освобождающаяся в результате катаболических процессов распада питательных веществ, свободная энергия может быть использована для осуществления многих химических реакций, протекающих с затратой энергии. Запасание энергии происходит в виде богатых энергией химических связей особого класса соединений, большинство из которых являются ангидридами фосфорной кислоты (нуклеозидтрифосфаты).

Существуют высокоэнергетические и низкоэнергетические фосфаты. Условной границей для этих двух групп соединений является величина свободной энергии гидролиза фосфатной связи. Следовательно, высокоэнергетические фосфаты имеют богатую энергией высокоэргическую (макроэргическую) связь.

Энергию связи определяют как разницу свободных энергий соединений, содержащего эту связь, и соединений, получающихся после ее разрыва. Макроэргическими (богатыми энергией) принято считать те связи, при гидролизе которых изменения свободной энергии системы составляют более 21 кДж/моль.

Центральную роль в энергообмене клеток всех типов осуществляет система адениновых нуклеотидов, которая включает в себя АТФ, АДФ и АМФ, а также неорганический фосфат и ионы магния. АТФ является термодинамически неустойчивой молекулой и гидролизуется с образованием АДФ и АМФ. Именно эта неустойчивость позволяет АТФ выполнять функцию переносчика химической энергии, необходимой для удовлетворения большей части энергетических потребностей клеток. К соединениям, обладающим богатой энергией связью, помимо АТФ, относится также УТФ, ЦТФ, ГТФ, ТТФ, креатинфосфат, пирофосфат, некоторые тиоэфиры (например, ацетил-КоА), фосфоенолпируват, 1,3-бифосфоглицерат и ряд других соединений.

При гидролизе АТФ в стандартных условиях изменение свободной энергии составляет -30,4 кДж/моль. В физиологических условиях реальная свободная энергия гидролиза концевой фосфатной связи АТФ будет иная и приближается к -50,0 кДж/моль.

Возможно несколько вариантов освобождения энергии фосфатных связей АТФ. Основной вариант - это отщепление концевого фосфата АТФ:

(АТФ+Н₂О АДФ+Н₃РО₄).

Другой вариант - пирофосфатное расщепление АТФ:

АТФ+Н20 АМФ+Н₄Р₂О₇.

Этот тип реакции значительно реже используется в биохимических процессах.

Накопление энергии в специфических фосфатных связях АТФ лежит в основе механизма переноса энергии в живой клетке. Есть основания считать, что в клетке существуют три основных типа перехода энергии АТФ: в энергию химических связей, в тепловую энергию и энергию, затрачиваемую на совершение работы (осмотической, электрической, механической и др.). [15].

7. Витамин PP. Участие в процессах окисления

Витамин РР (никотиновая кислота, никотинамид, ниацин) называют антипеллагрическим витамином (от итал. Preventive pellagra - «предотвращающий пеллагру»), поскольку его отсутствие является причиной заболевания, называемого пеллагрой.

Никотиновая кислота известна давно, однако только в 1937 году она была выделена К. Эльвегеймом из экстракта печени и было показано, что введение никотиновой кислоты (или ее амида - никотинамида) или препаратов печени предохраняет от развития или излечивает от пеллагры.

Никотиновая кислота представляет собой соединение пиридинового ряда, содержащее карбоксильную группу (никотинамид отличается наличием амидной группы).

Витамин РР мало растворим в воде (порядка 1%), но хорошо растворим в водных растворах щелочей. Никотиновая кислота кристаллизуется в виде белых игл.

Наиболее характерными признаками пеллагры (от итал. pelle agra -шершавая кожа), являются поражения кожи (дерматиты), желудочно-кишечного тракта (диарея) и нарушения нервной деятельности (деменция).

Дерматиты чаще всего симметричны и поражают те участки кожи, которые подвержены влиянию прямых солнечных лучей: тыльную поверхность кистей рук, шею, лицо; кожа становится красной, затем коричневой и шершавой. Поражения кишечника выражаются в развитии анарексии, тошноты и болей в области живота, поноса. Диарея приводит к обезвоживанию организма. Слизистая оболочка толстого кишечника сначала воспаляется, затем изъязвляется. Специфичными для пеллагры являются стоматиты, гингивиты, поражения языка со вздутием и трещинами. Поражения мозга выражаются в головных болях, головокружениях, повышенной раздражимости, депрессии и других симптомах, включая психозы, психоневрозы, галлюцинации и другие. Симптомы пеллагры особенно резко выражены у больных с недостаточным белковым питанием. Установлено, что это объясняется недостатком триптофана, который является предшественником никотинамида, частично синтезируемого в тканях человека и животных, а также недостатком ряда других витаминов.

Витамин РР играет роль кофермента в НАД-зависимых дегидрогеназах (участниках тканевого дыхания), метаболизме углеводов и аминокислот, НАДФ-зависимых ферментах (пентозного шунта и синтеза липидов), НМН-зависимых энзимах (алкогольдегидрогеназа и маликфермент). Не менее важна роль его, как субстрата поли-АДФ-рибозилирования. Данный процесс участвует в сшивке хромосомных разрывов и в работе репаразной системы, а также имеет (при нехватке НАД) ключевое значение в механизме некробиоза и апоптоза клеток, особенно - высокоаэробных [6].

Показано, что ряд дегидрогеназ используют только НАД или НАДФ, другие могут катализировать окислительно-восстановительные реакции в присутствии любого из них. В процессе биологического окисления НАД и НАДФ играют роль промежуточных переносчиков электронов и протонов между окисляемым субстратом и флавиновыми ферментами.

Основными источниками никотиновой кислоты и ее амида являются рис, хлеб, картофель, мясо, печень, почки, морковь и другие продукты [18].

8. Микросомальное окисление

8.1 Монооксигеназные реакции

Живые организмы содержат группу многочисленных и разнообразных ферментов, получивших название монооксигеназ.

В типичном случае один атом кислородной молекулы обнаруживается в новой гидроксидной группе субстрата, другой - восстанавливается до воды в процессе реакции. В соответствии с этим реакция должна протекать при участии фермента, субстрата, кислородаи какого-либо восстанавливающего агента.

Допамин--монооксигеназа, присутствующая в мозге и в хромаффинной ткани, катализирует гидроксилирование 3,4-диоксифенилэтиламина до норадреналина.

Фенолмонооксигеназы имеются у бактерий, растений, насекомых, а также в печени и коже млекопитающих.

Полимеризация о-хинона, образовавшегося в результате цепочки реакции, катализируемых этими ферментами, лежит в основе образования меланина [7].

8.2 Диоксигеназные реакции

Ферменты, катализирующие реакции, в которых оба атома молекулярного кислорода встраиваются в продукты реакции, называются диоксигеназами.

Известные в настоящее время ферменты этой группы могут содержать в качестве активной группы гем или негемовое железо, а для действия некоторых необходим -кетоглутарат.

Железо--кетоглутаратдиоксигеназы - железозависимые ферменты, катализирующие гидроксилирование субстрата в ходе процесса, в котором -кетоглутарат подвергается окислительному декарбоксилированию до сукцината:

М + О2 + -кетоглутарат М-ОН + сукцинат + СО2 [5].

8.3 Цитохромы

Дальнейший перенос электронов от КоQН2 на О2 осуществляет система цитохромов. Данная система состоит из ряда гемсодержащих белков (гемпротеинов), открытых в 1886 году К. Мак-Мунном. Все они имеют простетическую геминовую группу, близкую к гему гемоглобина. Цитохромы отличаются друг от друга не только простетической группой, но и белковыми компонентами. Все цитохромы, особенно в восстановленной форме, имеют характерные спектры поглощения, величины окислительно-восстановительных потенциалов также неодинаковы.

В имеющем широкое распространение механизме гидроксилирования путем введения одного атома кислорода функциональный атом железа находится в гемовой группе цитохрома - цитохрома Р450. Эти цитохромы обнаруживаются в мембранах печеночной ЭПС, в митохондриях коры НАДпочечников, в почечной щеточной кайме и в плазматических мембранах различных бактерий. Катализируемая реакция такая же, как у всех других монооксигеназ:

МН + О2 + 2е + 2Н⁺ МОН + Н2О.

Цитохромы Р450 из печени относятся к числу индуцируемых ферментов; это означает, что количество присутствующего фермента может увеличиваться в 25 раз при введении одного из многочисленных чужеродных соединений, например фенобарбитала или метилхолантрена. Цитохромы обезвреживают ксенобиотики, а также лимитируют время, в течение которого могут сохранять свою активность некоторые наркотики. Лечение некоторых форм острой интоксикации может быть облегчено введением индуктора, который в этом случае вообще безвреден.

Цитохромы Р450 коры надпочечников находятся в митохондриальной мембране, где два отдельных фермента катализируют соответственно расщепление боковых цепей холестерина до прегненолона и реакции гидроксилирования различных стероидов [2].

Цитохром Р450 катализирует образование гидроксильных групп при синтезе желчных кислот, стероидных гормонов, при катаболизме ряда веществ и обмене чужеродных соединений.

Первая, обнаруженная в микросомах электронпереносящая система - это система восстановления цитохрома b5 за счет NADH; цитохром b5 восстанавливается NADH-цитохром b5-редуктазой, содержащей на молекуле один FAD, который совершает циклические переходы между полностью восстановленной и окисленной формами. Цитохром b5 прочно связан с ЭПС своей обширной гидрофобной областью. Хотя наружная поверхность области цитохрома, где находится гем, гидрофильна, она лежит в глубокой гидрофобной щели, причем карбоксильные группы пропионовой кислоты ориентированы наружу. Восстановленный цитохром b5 медленно самоокисляется с образованием супероксидного аниона. Этот механизм может быть основным генератором супероксида в клетках печени [11].

9. Пероксидазный путь использования кислорода

Молекулярный кислород является парамагнитным, потому что он содержит два неспаренных электрона с параллельно ориентированными спинами. Эти электроны находятся на разных орбиталях, поскольку два электрона не могут занимать одну и ту же орбиталь, если только их спины не противоположны. Соответственно восстановление кислорода путем прямого введения пары электронов в его частично заполненные орбитали невозможно без «обращения» спина одного из двух электронов. Спиновой запрет восстановления может быть преодолен последовательным добавлением одиночных электронов. Полное восстановление О2 до 2Н2О требует 4 электрона; при одноэлектронном восстановлении в качестве промежуточных продуктов возникают супероксид, пероксид водорода и гидроксидный радикал. Эти продукты очень реакционноспособны, и их присутствие может представлять угрозу для целостности живых систем. На самом деле ОН - наиболее мутагенный продукт ионизирующей радиации - представляет собой чрезвычайно мощный окислитель, который может атаковать все органические соединения. Одноэлектронное восстановление кислорода инициирует цепь реакций, которые ведут к образованию ОН:

О2 + е О2 (1)

О2 + Н НО2 (2)

О2+ НО2 + Н Н2О2+О2 (3) [14]

Супероксид-анион, образуемый в реакции (1), может протонироваться до гидропероксидного радикала (2). Реакция (3) представляет собой спонтанную дисмутацию, приводящую к образованию Н2О2+О2. Совокупность этих реакций дает основание предполагать, что любая система, продуцирующая О2, будет также вскоре содержать Н2О2.

Ксантиноксидаза, альдегидоксидаза и многочисленные флавопротеиды образуют О2 и Н2О2, что происходит и при самопроизвольном окислении гемоглобина, ферредоксинов, восстановленных цитохромом b5 гидрохинонов, тетрагидроптеридинов и адреналина. Угроза для клеток, возникающая из-за реакционноспособности О2и Н2О2, устраняется действием ферментов, эффективно обезвреживающих эти соединения [14].

10. Ферментативная антиоксидантная защита. Супероксиддисмутаза, каталазы, пероксидазы

Супероксиддисмутазы катализируют реакцию:

О2 + О2+ 2Н Н2О2 + О2.

Эти ферменты найдены во всех дышащих клетках, а также в различных факультативно анаэробных бактериях. Супероксиддисмутазы - металлоферменты. Их каталитический цикл включает восстановление и окисление иона металла, например Cu, Mn или Fe, на активном центре.

Каталазная активность наблюдается почти во всех животных клетках и органах. Печень, эритроциты и почки - богатые источники каталаз. Эта активность также обнаруживается во всех растительных материалах и в большинстве микроорганизмов, кроме облигатных анаэробов.

В каждом случае каталаза, вероятно, предотвращает аккумуляцию вредного Н2О2, образуемого при аэробном окислении восстановленных флавопротеидов и из О2.

Одна молекула каталазы может разложить 44000 молекулы Н2О2 в секунду. Фактически фермент почти не требует энергии активации, и скорость реакции полностью определяется диффузией. Каталаза реагирует с Н2О2 с образованием относительно стабильного фермент-субстратного комплекса.

Хотя пероксидазы встречаются относительно редко в животных тканях, в печени и почках обнаружена слабая пероксидазная активность. Лейкоциты содержат вердопероксидазу, которая ответственна за пероксидазную активность гноя.

Клетки фагоцитов содержат миелопероксидазу, которая окисляет ионы галогенов, например I, до свободного галогена - эффективного бактерицидного агента.

Каталазную и пероксидазную реакции можно записать следующим образом:

11. Неферментативная антиоксидантная защита

11.1 Аскорбиновая кислота (витамин С)

Витамин С легко окисляется до дегидроаскорбиновой кислоты, которая нестабильна в щелочной среде, в которой происходит гидролиз лактонного кольца с образованием дикетогулоновой кислоты.

Аскорбиновая кислота необходима для различных биологических окислительных процессов. Витамин активирует окисление n-оксифенилпирови-ноградной кислоты гомогенатами печени. В присутствии кислорода растворы, содержащие ферро-ионы и аскорбат, катализируют гидроксилирование ряда соединений.

Витамин является антиоксидантом, участвует в метаболизме фенилаланина, тирозина, пептидных гормонов, в синтезе жиров и белков, необходим для образования коллагена, способствует сохранению целостности соединительной и остеоидной тканей, обладает антиканцерогенным действием, предотвращая образование канцерогенных нитрозаминов, участвует в распределении и накоплении железа [17].

11.2 Витамин Е

Витамин был выделен из масла зародышей пшеничных зерен в 1936 году и получил название токоферол. Семь токоферолов, производных исходного соединения токола, найдены в природных источниках; среди них наибольшее распространение и наибольшую биологическую активность имеет -токоферол. Токоферолы обозначаются греческими буквами: альфа, бета, гамма и дельта [18].

Витамин защищает клеточные структуры от разрушения свободными радикалами, участвует в биосинтезе гема, препятствует тромбообразованию, участвует в синтезе гормонов, поддерживает иммунитет, обладает антиканцерогенным эффектом, обеспечивает нормальное функционирование мышц.

Ткани животных с недостаточностью витамина Е, особенно сердечная и скелетные мышцы, более быстро потребляют кислород, чем ткани нормальных животных. -Токоферол нелегко подвергается обратимому окислению.

Увеличенное потребление кислорода мышцами при недостаточности витамина связаны, по-видимому, с пероксидным окислением ненасыщенных жирных кислот.

В других тканях, например в печени, это приводит к нарушению структуры митохондрий и снижению дыхания. Имеются данные о том, что пероксидное окисление ненасыщенных жирных кислот в эндоплазматическом ретикулуме мышечных клеток приводит к освобождению лизосомальных гидролаз, в результате развивается мышечная дистрофия. Все проявления недостаточности витамина представляет собой вторичные явления, обусловленные отсутствием торможения пероксидного окисления полиненасыщенных жирных кислот.

Классическим проявлением недостаточности витамина Е у лабораторных животных является бесплодие.

У самцов наиболее ранним наблюдаемым признаком недостаточности является неподвижность сперматозоидов. Наблюдается также ряд других изменений: дегенерация эпителия почечных канальцев, депигментация передних зубов. Другим проявлением недостаточности витамина Е является гемолиз эритроцитов in vitro в присутствии пероксидов или производных аллоксана.

У крыс с продолжительной недостаточностью витамина развивается мышечная дистрофия с явлениями прогрессирующего паралича задних конечностей, понижается содержание креатина в мышцах, возникает креатинурия и несколько снижается экскреция креатинина. Могут также развиваться явления недостаточности витамина А вследствие окислительной деструкции последнего из-за отсутствия в рационе витамина, обладающего антиоксидантными свойствами. Проявлениями гипервитаминоза являются тошнота, головокружение и тахикардия [6].

11.3 Витамин Р

Витамин Р (рутин, цитрин) был выделен в 1936 году А. Сент-Дьёрдьи из кожуры лимона. Под термином «витамин Р» объединяется группа веществ со сходной биологической активностью: катехины, халконы, флавины и др. Все они обладают Р-витаминной активностью и в основе их структуры лежит дифенилпропановый углеродный «скелет» хромона или флавона (общее название «биофлавоноиды»).

Биофлавоноиды стабилизируют основное вещество соединительной ткани путем ингибирования гиалуронидазы, что подтверждается данными о положительном влиянии Р-витаминных препаратов, как и аскорбиновой кислоты, на профилактику и лечение цинги, ревматизма, ожогов и др. Эти данные указывают на тесную функциональную связь витаминов С и Р в окислительно-восстановительных процессов организма.

При недостаточности биофлавоноидов или отсутствии их в пище повышается проницаемость кровеносных сосудов, сопровождающаяся кровоизлияниями и кровотечениями, отмечается также общая слабость, быстрая утомляемость и боли в конечностях.

Основными источниками витамина являются растительные продукты питания (в частности, овощи и фрукты), в которых содержится много витамина С. Витаминная промышленность выпускает ряд препаратов с Р-витаминной активностью: чайные катехины, рутин, гесперидин, нарингин и другие [18].

Заключение

Проблема, освещенная в данной работе, на сегодняшний день является очень важным разделом в биохимии, где, несмотря на достигнутые успехи, остается множество вопросов и пробелов.

Знание вопросов биоорганической химии является нужным и важным в практике каждого врача, так как активное развитие фармакологии и появление множества новых препаратов позволяет, зная биохимию процессов, протекающих в организме, воздействовать на них и лечить многие заболевания на клеточном уровне, стимулируя энергетические процессы на уровне митохондрий.

Любая внезапная смерть связана с гипоксией, которая сопровождается накоплением в организме большого количества молочной кислоты за счет подавления функции челночных механизмов, и как следствие - возникает ацидоз. При гипоксии неограниченно образуются свободные радикалы, и интенсивно протекает перикисное окисление липидов с последующим необратимым повреждением клеток. Изучение нарушений механизмов биологического окисления и способов коррекции является важным при лечении патологий сердечно-сосудистой и дыхательной систем, возрастных патологиях, воспалениях. Особо важное значение имеют эти знания в реанимации, при наркозах, так как уровень молочной кислоты значительно возрастает во время операций под наркозом, например кетамином или этраном, под влиянием наркотических веществ происходит разобщение процессов окисления и фосфорилирования. Вот почему так важно иметь в распоряжении наиболее полные знания и информативные данные, оценка которых может обеспечить максимальные возможности прогноза течения заболевания.

Список литературы

1. Альбертс Б., Брей Д., Льюис Дж., Рэфф М., Робертс К., Уотсон Дж. Молекулярная биология клетки: В 3-х т.,2-е изд., пер.и доп. Т.1. Пер. с англ. - М.: Мир, 1994 - 517 с., ил.

2. Бышевский А.Ш., Терсенов О.А. Биохимия для врача. Екатеринбург: Издательско-полиграфическое предприятие «Уральский рабочий». - 1994 - 384 с.

3. Виноградов А.Д. Митохондриальная АТФ-синтезирующая машина: пятНАДцать лет спустя // Биохимия. - 1999 - Т.64. Вып.11 - с.1443-1456.

4. Галкин М.А., Сыроешкин А.В. Кинетический механизм реакции синтеза АТФ, катализируемый митохондриальной F₀-F₁-АТФазой // Биохимия. - 1999 - Т.64.Вып 10 - с. 1393-1403.

5. Гринстейн Б., Гринстейн А. Наглядная биохимия. - М.: «Медицина», 2000 - с.68-69, 84-85.

6. Зайчик А.Ш., Чурилов Л.П. Основы общей патологии. Часть 2. Основы патохимии. - СПб. - 2000 - 384 с.

7. Козинец Г.И. Физиологические системы человека. - М.: «Триада-Х» - 2000 - с.156-164.

8. Коровина Н.А., Захарова И.Н., Заплатников А.Л. Профилактика дефицита витаминов и микроэлементов у детей (справочное пособие для врачей). - Москва, 2000.

9. Ленинджер А. Основы биохимии. - М.: Мир - 1991 - 384 с.

10. Марри Р., Греннер Д., Мейес П., Родуэлл В. Биохимия человека: В2-х т. Т.1.Пер с англ.: - М.: Мир - 1993 - 384 с.

11. Николаев А.Я. Биологическая химия. Учеб. для мед. спец. Вузов - М.: Высшая школа. - 1989 - 495с.

12. Рябов Г.А. Гипоксия критических состояний. - М.: Медицина. - 1992 - 288 с.

13. Самарцев В.Н. Жирные кислоты как разобщители окислительного фосфорилирования // Биохимия. - 2000 - Т.65.Вып.9 - с.1173-1189.

14. Скулачев В.П. Кислород в живой клетке: добро и зло.// Соросовский образовательный журнал. - 1996 - №3 - с.4-10.

15. Скулачев В.П. Эволюция биологических механизмов запасания энергии // Соросовский образовательный журнал. - 1997 - №5 - с.11-19.

16. Скулачев В.П. Стратегии эволюции и кислород // Природа. - 1998 - №12 - с.11-20.

17. Тутельян В.А., Алексеева И.А. Витамины антиоксидантного ряда: обеспеченность населения и значение в профилактике хронических заболеваний // Клиническая фармакология и терапия. - 1995 - №4 (1) - с.90-95.

18. Шилов П.И., Яковлев Т.Н. Основы клинической витаминологии. - Л.: Медицина. - 1989 - 343 с.

Размещено на Allbest.ru