Ведение. Редокс-статус клетки.

Редокс-потенциал характеризует активность восстановителей или окислителей любого раствора или способность этого раствора отдавать или принимать электроны. Цитозоль каждой клетки нашего организма – это раствор, где протекают сложнейшие биохимические реакции, в т. ч. и окислительно-восстановительные. Баланс окислительно-восстановительных процессов в клетке определяет клеточный редокс-статус (от англ. redox — reduction-oxidation reaction). Все формы жизни сохраняют восстанавливающую среду внутри своих клеток. Когда редокс статус клетки увеличивается настолько, что клетка не может его скомпенисировать начинается окислительный стресс.

Клеточный «редокс-статус» поддерживается специализированными ферментами в результате постоянного притока энергии. Аэробная энергетика всех живых существ обеспечивается свободной энергией окислительно-восстановительной реакции между восстановителем (внутриклеточная среда, усредненный редокс потенциал которой составляет примерно -320 мВ) и окислителем - кислородом, редокс- потенциал которого в реакции образования воды при нейтральных значениях рН равен примерно +800 мВ. Кислород - «сильный» окислитель в том смысле, что реакция образования воды:

О₂ + 4 е + 4 Н⁺ = 2 Н₂О (1)

при восстановлении кислорода электронами, поставляемыми восстановительными эквивалентами клетки (главным образом NADH), термодинамически необратима. С другой стороны, кислород - «плохой» окислитель. Электронная структура его молекулы (два неспаренных электрона с одинаковыми спиновыми числами на разных п-орбиталях) такова, что кислород не может принять одновременно два электрона от подавляющего числа органических молекул - доноров пары электронов с антипараллельными спинами. Кинетическая инертность кислорода обеспечивает устойчивость многочисленных органических молекул в окружающей нас среде, содержащей 21% газообразного кислорода. Спиновый запрет реакций окисления органических соединений кислородом в сочетании с термодинамической необратимостью таких реакций и послужил физико-химической основой того, что кислород выбран эволюцией в качестве окислителя. Эволюция решила проблему кинетической инертности кислорода, создав ферменты- оксидазы, катализирующие восстановление кислорода до воды (цитохромоксидазы, реакция 1), или до перекиси водорода (другие оксидазы, реакция 2):

О₂ + 2 е + 2 Н⁺ = Н₂О₂. (2)

Проблема спинового запрета решается этими ферментами так, что восстановление кислорода в суммарных реакциях (1) или (2) происходит ступенчато с помощью одноэлектронных доноров-кофакторов: ионов металлов переменной валентности (железо, марганец, молибден, медь) и (или) органических молекул, способных существовать в свободнорадикальном состоянии (флавины, хиноны).

На промежуточных этапах этого процесса образуются АФК, которые, в отличии от собственно триплетного кислорода, кинетической инертности не имеют и в избыточном количестве могут вызвать нарушение редокс-статуса клетки. Поддержание клеточного редокс-статуса играет важную роль в таких процессах как синтез ДНК, экспрессия генов, ферментативная активность. Изменения редокс-состояния молекул, являющиеся следствием стрессовых воздействий или результатом активности самих клеток, вовлечены в редокс-регуляцию клеточных процессов.