6.6. Антиоксидантная система

Активные формы кислорода (АФК) – соединения, в которых кислород имеет неспаренный электрон.

АФК образуются при изменении условий функционирования дыхательной цепи (например, при гипоксии), под действием УФ-лучей, при взаимодействии кислорода с ионами металлов переменной валентности (железом), в ходе спонтанного окисления некоторых веществ, при участии ферментов ксантиноксидазы или НАДФН-оксидазы. В этих условиях образуется супероксид-анион кислорода О₂⁻, затем пероксид водорода Н₂О₂ и гидроксид-радикал НО^.. Активные формы кислорода вызывают перекисное окисление липидов - процесс, ведущий к серьезному повреждению мембран, белков и ДНК.

Инактивация активных форм кислорода в клетках происходит под действием антиоксидантной системы.

Антиоксиданты - биологически активные вещества, взаимодействующие со свободными радикалами и препятствующие процессам свободнорадикального окисления органических веществ в организме.

В антиоксидантную систему входят несколько ферментов и низкомолекулярные антиоксиданты (витамины, пептиды).

Супероксиддисмутаза (СОД) превращает супероксид-анион кислорода в пероксид водорода Н₂О₂:

2O₂^- + 2Н⁺  H₂O₂ + O₂.

Каталаза - геминовый фермент, содержащий Fe³⁺, катализирует реакцию разложения пероксида водорода. При этом образуются вода и кислород:

2H₂O₂  O₂ + 2H₂О.

Наибольшая активность каталазы в организме характерна для печени. Каталазы много в эритроцитах, где она защищает гем гемоглобина от окисления.

Пероксидаза - геминовый фермент, восстанавливает пероксид водорода до воды; при этом идет окисление другого вещества:

2H₂O₂ + R  2H₂О + RO₂.

Пероксидаза способна разлагать и другие перекиси, превращая их в спирты. Пероксидазная активность обнаруживается в печени, почках, нейтрофильных лейкоцитах.

Витамины, проявляющие антиоксидантные свойства – С, Е, А, Р. Антиоксидантные свойства проявляют трипептид глутатион, таурин (2-аминоэтансульфоновая кислота), дипептид карнозин. Так, способность глутатиона участвовать в окислительно-восстановительных реакциях связана с наличием групп -SН:

2ГSН + RООН  ГSSГ + RОН + Н₂О.

Полное подавление перекисных процессов в тканях, по-видимому, нецелесообразно. Свободные радикалы индуцируют апоптоз, участвуют в формировании клеточного иммунитета, стимулируют работу фосфолипаз, участвуя, тем самым, в синтезе эйкозаноидов.

Однако усиленная генерация свободных радикалов сопровождает патологические состояния (болезнь Паркинсона, Альцгеймера) и сам процесс биологического старения.

6.7. Реакции общего пути катаболизма

6.7.1. Окислительное декарбоксилирование пвк

Окислительное декарбоксилирование пировиноградной кислоты - многостадийный процесс, который катализирует пируватдегидрогеназный комплекс - митохондриальный мультиферментный комплекс, соединенный с внутренней мембраной со стороны матрикса. ПВК поступает к комплексу из матрикса, и туда же освобождаются продукты реакции.

Пируватдегидрогеназный комплекс включает три фермента (пируватдегидрогеназа (Е1), ацетилтрансфераза (Е2), дегидрогеназа дигидролипоевой кислоты (Е3)) и пять коферментов (НАД⁺, ФАД, тиаминпирофосфат, липоевая кислота, кофермент А (рис. 36)).

Тиаминпирофосфат связан с пируватдегидрогеназой (Е1), липоевая кислота - с ацетилтрансферазой (Е2), ФАД - с дегидрогеназой дигидролипоевой кислоты (Е3). Кофермент А и НАД⁺ находятся в свободно растворенном состоянии.

В состав пируватдегидрогеназного комплекса входит примерно по три десятка молекул Е1 и Е2 и 10 молекул Е3. Комплекс работает как конвейер: промежуточные продукты не освобождаются в раствор, а передаются от фермента к ферменту.

а	б
Рис. 36. Структура кофермента А (а) и липоевой кислоты (б)

Первую реакцию (рис. 37) катализирует Е1, субстратами являются ПВК и дегидролипоевая кислота, являющаяся простетической группой Е2. От ПВК отщепляется карбоксильная группа и образуется СО₂, а ацетильный остаток соединяется с атомом серы липоевой кислоты в составе ацетилтрансферазы. Образуется ацетиллипоат-Е2.

Во второй реакции ацетилтрансфераза (Е2) катализирует перенос ацетильного остатка, соединенного с его простетической группой, на коэнзим А. Продукты этой реакции - дигидролипоевая кислота в составе Е2 и ацетил-KоА.

В третьей реакции происходит дегидрирование дигидролипоевой кислоты в составе ацетилтрансферазы при воздействии фермента Е3 (дегидрогеназа дигидролипоевой кислоты), содержащего ФАД. ФАД передает водород на НАД⁺. Образуются НАДН+Н⁺ и дегидролипоевая кислота в составе Е2. Последний фермент снова вступает в окислительное декарбоксилирование ПВК.

Ацетил-KоА (продукт второй реакции) затем окисляется в цикле Кребса. Водород с НАДН (продукт третьей реакции) поступает в дыхательную цепь, где образуется АТФ.

Энергетический выход окислительного декарбоксилирования пирувата – 3 АТФ.

Суммарное уравнение процесса:

СH₃CОCOOH + HSKoA + НАД⁺  СH₃CОSKoA + НАДН + Н⁺ + СО₂.

Рис. 37. Схема окислительного декарбоксилирования пирувата

По механизму «обратной связи» работу пируватдегидрогеназного комплекса ингибируют конечные продукты окислительного декарбоксилирования - ацетил-KоА, НАДН+Н⁺, а также АТФ. Увеличивают активность комплекса пировиноградная кислота и АДФ.

Также имеет место гормональная регуляция: инсулин увеличивает активность пируатдегидрогеназного комплекса, глюкагон - снижает.