Механизмы перекисного окисления липидов

В процессах перекисного окисления липидов активатором молекулярного кислорода являются ионы Fe²⁺ и металлы переменной валентности (Сu, Mn, Co).

При взаимодействии ионов Fe²⁺ с молекулярным кислородом образуются активные формы кислорода, а те, в свою очередь, связываясь с жирными кислотами, образуют органические гидроперекиси:

Fe²⁺ + ROOH → Fe³⁺ + RO^. + OH^-, (1)

RO^. + RO^. → Молекулярные продукты,(2)

RO^. + RH + O₂ → ROH + ROO^., (3)

ROO^. + ROO^. + H⁺ → ROH + RO + O₂. (4)

Радикалы ROO^., которые образуются в ходе реакции, способны инициировать новые цепные реакции окисления липидов.

ROO^. + RH → R^. + ROOH, (5)

R^. + O₂ → ROO^.. (6)

Рассмотренные выше реакции можно разделить на две группы: реакции разложения гидроперекисей (1 – 4) и цепные реакции окисления липидов (5-6).

Кроме того, участие ионов Fe²⁺ в процессе переокисления в качестве инициатора заключается в способности к образованию разветвлённых цепей.

Перекисное окисление липидов в клетках можно определять самыми разнообразными методами. Начальным этапом перекисного окисления ненасыщенных жирных кислот являются диеновые коньюгаты жирных кислот. Они имеют максимум поглощения в УФ – области (232 – 233нм). Этот образующий продукт является следствием мигрирования двойных связей в молекулах ненасыщенных жирных кислот. Средним этапом перекисного окисления принято считать образование гидроперекисей липидов. Существуют много методов, которые позволяют определять эти продукты. И конечным этапом данного процесса является образование малонового диальдегида – короткоцепочного продукта жирных кислот. Этот продукт также определяться различными методами. Наиболее известным методом определения МДА является образование триметинового комплекса МДА – тиобарбитуровая кислота. Метод прост в исполнении, очень чувствителен и активно используется для определения интенсивности ПОЛ. Для более точного определения конечных короткоцепочных продуктов in vivo можно определять с помощью газовой хроматографии в выдыхаемом воздухе концентрации этана и пентана.

Антиоксидантная система клеток

Антиоксиданты – соединения, способные в малых концентрациях тормозить свободнорадикальное неферментативное окисление энергетических субстратов, в первую очередь ненасыщенных жирных кислот, углеводов, углеводородов и некоторых аминокислот. В нормальных физиологических концентрациях антиокислители необходимы для осуществления функции ферментативного окисления – дыхания, брожения – и, как правило, или стимулируют, или нормализуют его.

Антиоксидантная система клетки делится на неферментативную и ферментативную: к неферментативной относятся жирорастворимые и водорастворимые биологические компоненты клеток, а к ферментативной системе относится ряд ферментов, которые осуществляют превращение и защиту от свободных радикалов.

К жирорастворимым неферментативным антиоксидантам можно отнести витамины группы Е (токоферолы), большинство фосфолипидов, витамины группы К, витамины группы Р – флавоноиды (рутин, квартецин), билирубин, биливердин. Антиокислительным действием обладают также коэнзим Q₁₀ – убихинон и некоторые стероидные гормоны.

К водорастворимым неферментативным антиоксидантам относят аскорбиновую, лимонную и никотиновые кислоты, мочевину, серусодержащие аминокислоты (цистеин, цистин), трипептид глутатион, ряд других аминокислот, адреналин, катехин, бензойная кислота и др.

К ферментативной антиоксидантной системе относят супероксиддисмутазу, каталазу, глутатионпероксидазу, другие пероксидазы и глутатионредуктазу.

Механизм действия неферментативных антиоксидантов

Первичный механизм действия антиокислителей заключается во взаимодействии с продуктами или катализаторами свободнорадикальног окисления: а) с активными радикалами R^. , ROO^. ; б) с гидроперекисями ROOH^-; в) в блокировании катализаторов свободнорадикального окисления, прежде всего ионов металлов переменной валентности.

Антиоксидантная активность большинства соединений определяется наличием у них подвижного атома водорода с ослабленной связью с углеродом. Взаимодействие их со свободными радикалами осуществляется по следующей схеме:

ROO^. ROOH

+ AH → + A^.

R^. RH

Происходит замена активных радикалов субстрата ROO^., R^. на малоактивный радикал антиокислителя А^.. Этот радикал не способен к продолжению цепи и превращается в стабильные молекулярные продукты.

Серусодержащие аминокислоты являются хорошими антиокислителями, которые хорошо реагируют с гидроперекисями липидов. Разлагая гидроперекиси липидов, они исключают диссоцивцию гидроперекиси на два активных радикала, которые могли бы начать новые цепи окисления. Подобная реакция протекает по следующей схеме:

O

R – S – R + ROOH → R – S – R + ROH

Ряд соединений способные образовывать комплексы с металлами переменной валентности также оказывают антиоксидантное действие.

Образовавшиеся радикалы антиоксидантов в отличие от свободнорадикальных продуктов являются малоактивными и могут накапливаться в клетках в больших количествах. Данные продукты называют стабильными радикалами. Их наличие в клетки можно определить методом ЭПР. Исследования показали, что в основном стабильные радикалы являются производными токоферолов, флавинов и других антиоксидантов. Хотя радикалы биоантиокислителей и малоактивны, тем не менее, их накопление в клетках не желательно, а выведение из организмов и клеток, как активных радикалов, так и избытка радикалов биоантиокислителей возможно лишь в форме молекулярных продуктов. В клетке имеется несколько систем, способных превращать радикальные продукты в молекулярные и таким образом освобождать организм и клетки от высокореакционных продуктов. К таким системам в первую очередь относится система SH – соединений. Аминокислота цистин и служит одной из молекулярных инертных форм, благодаря которой выводятся из организма и клеток продукты свободнорадикальных превращений. На основании этого можно предположить, что сульфгидрильные соединения в клетке кроме метаболической, выполняют ещё и антиокислительную функцию. Помимо сульфгидрильных соединений в клетках ещё существуют несколько систем, способных к выведению конечных продуктов свободнорадикального окисления в виде малоактивных молекулярных форм. Такими являются системы: аскорбиновая ↔ди-

гидроаскорбиновая ↔ дикето – 1 – гулоновая кислота; полухинон ↔ хинон (для токоферолов, убихинона, витаминов К).

Ферментативная антиоксидантная система

Кислород служит конечным акцептором электронов при аэробном дыхании и поэтому необходим всем аэробным организмам. Кислород является токсичным для всех анаэробных организмов, но О₂ является токсичным и для аэробных организмов. Как уже отмечалось выше, активные формы кислорода могут вызывать различные свободнорадикальные процессы и модифицировать и разрушать мембраны и другие структуры клеток. Поэтому у большинства организмов имеются ферменты, способные защищать клетку от токсичных продуктов, которые образуются из О₂. Данная группа ферментов называется антиоксидантной, антирадикальной ферментной системой.

В биологических средах следует различать три вида активации кислорода в зависимости от числа электронов, одновременно переносимых на молекулу кислорода:

1. О₂ + 4е → О^2- + О^2-

(2) О₂ + 2е → О₂^2-

(3) О₂ + 1е → О₂^-

Реакцию (1) катализирует цитохромоксидаза – конечный фермент электрон – транспортной цепи. Здесь одновременно происходит перенос четырёх электронов, и в результате получается два иона О^2-, каждый из которых при взаимодействии с двумя протонами образует воду. Из всех ферментов только цитохромокисдаза и некоторые ферменты, содержащие медь (синие ферменты), такие как тирозиназа, лаказа способны переносить сразу четыре электрона на О₂.

Реакция (2) характерна для некоторых ферментов, содержащих флавин (глюкозооксидаза, оксидазы аминокислот, ксантиноксидаза). Эти ферменты одновременно переносят два электрона и восстанавливают О₂ до иона пероксида О₂^2-, который реагируя с протонами, образует перекись водорода. Она для клетки очень токсична, так как способна окислять SH –группы белков. Сам по себе пероксирадикал кислорода способен запустить перекисное окисление липидов. Поэтому, в клетках существуют ферменты, которые оказывают защитное действие это каталазы и пероксидазы.

Каталаза это фермент, который в качестве простетической группы содержит протопорфирин. Основная реакция каталазы превращения перекиси водорода в воду и в молекулу кислорода:

2Н₂О₂ →→→ 2Н₂О + О₂

Данная реакция является каталазной, но в некоторых случаях данный фермент способен катализировать реакции окисления перекисью водорода разнообразных эндогенных и экзогенных субстратов (пероксидазная реакция). Каталазная активность преобладает при высоких концентрациях пероксида водорода, а при низких его концентрациях преобладает пероксидазная активность.

Помимо каталазы в антиперекисной защите играет фермент глутатионпероксидаза. Существуют две формы данного фермента: селенсодержащая глутатион пероксидаза и селен – независимая глутатионпероксидаза. Селенсодержащая глутатионпероксидаза катализирует следующую реакцию:

Н₂О₂ + 2 GSH →→→ GSSG + 2H₂O

Она преобразует перекись водорода до воды с образованием окисленной формы глутатиона.

Селен – независимая глутатионпероксидаза в основном превращает органические перекиси в частности перекиси жирных кислот. Реакция протекает по следующей схеме:

ROOH + GSH →→→ ROH + GSSG

По мере того как, количество пероксида водорода резко снижается, в клетке накапливается большое количество окисленного глутатиона. Одновременно с этим процессом происходит восстановление глутатиона с помощью НАДФН с участием фермента глутатионредуктазы. Необходимый для реакции НАДФН генерируется преимущественно в реакциях глюкозомонофосфатного шунта, в частности с помощью фермента глюкозо – 6 – фосфатдегидрогеназы.

В реакции (3), катализируемой многими оксидазами (ксантинокисдазой, альдегидоксидазой, НАДН – оксидазой и др.), переносится только один электрон. При этом образуется супероксидный радикал О₂^-, который является очень реакционноспособным. Он способен также реагировать с перекисью водорода с образованием ОН^- радикала тоже очень высокореакционного продукта. Реакция протекает по следующей схеме:

О₂^- + Н₂О₂ + Н₂ → О₂ + Н₂О + ОН^.

Для разрушения супероксидного радикала в клетках всех организмах существует фермент, который называется супероксиддисмутаза. Она катализирует следующую реакцию:

2О₂^- + 2Н⁺ →→ Н₂О₂ + О₂

Супероксиддисмутаза это ключевой фермент, который превращает супероксид анион в другие активные формы кислорода и контролирует тем самым скорость перекисного окисления липидов. Хотелось бы отметить, что без участия супероксиддисмутазы супероксид анион способен превращаться в перекись водорода и в самый токсичный высокореакционный продукт синглетный кислород ( ^‘O₂ ).

Фермент был открыт в 1969 году. Он встречается у всех организмов, которые потребляют кислород. Все супероксиддисмутазы являются металлопротеинами. Существуют три вида СОД: Медь – и цинк содержащие; железо – содержащие; марганец- содержащие ферменты. Медь – цинк содержащие встречаются в цитозоле всех эукариот; Марганец- содержащая характерна для прокариот и ещё она найдена в митохондриях эукариот; Железо – содержащая самая примитивная и найдена только у прокариот. СОД является самым первым звеном вместе с витамином Е и аскорбатом в инактивировании свободных радикалов, а каталаза и глутатионпероксидазы являются вторым звеном обезвреживания окислительных продуктов, таких как перекись водорода и органические гидроперекиси и перкиси жирных кислот. Окислительная способность перекиси водорода в 15 раз ниже, чем супероксид аниона. Таким образом, мы видим, что клетка при помощи этой системы сохраняет свою целостность.