Пероксид водорода

Замечательное свойство большинства ферментов-оксидаз состоит в том, что они катализируют ступенчатое восстановление кислорода до воды или перекиси водорода, не освобождая в окружающую среду промежуточно восстановленных реакционноспособных и тем самым потенциально опасных для клеток форм кислорода. Только очень небольшая часть потребляемого кислорода восстанавливается до перекиси водорода (реакция 2), которая, в свою очередь, сама служит субстратом-окислителем для так называемых пероксидаз:

или восстановителем и окислителем в реакции её дисмутации (каталаза):

В клетке пероксид водорода может образовываться посредством преобразования супероксидного анион-радикала как спонтанно, так и при каталитическом участии супероксиддисмутазы, а также в процессе прямого синтеза в реакциях с участием гликолатоксидаз или оксидаз D-аминокислот в пероксисомах. В митохондриях описаны источники образования пероксида водорода - окисление сукцината и NADH (Комплексы I и II).

Пероксид водорода представляет большой интерес исследователей, поскольку выделяется среди других активных форм кислорода не высокой окислительной способностью, но большой продолжительностью жизни. Сам пероксид водорода не обладает свойствами сильного окислителя, однако легко преобразуется в другие, более агрессивные молекулы. Пероксид водорода может выступать источником образования ОН•в присутствии двухвалентного железа или превращаться в гипохлорит-анион (ОС1^-) ферментом миелопероксидазой.

Перекись водорода относится к окислителям средней силы, при этом, не будучи радикалом, она взаимодействует с веществами как радикальным, так и нерадикальным путем. Пероксид водорода может проявлять сосудосуживающий и цитотоксический эффекты, он участвует в подавлении пролиферации лимфоцитов. Уровень Н₂О₂ удаляется в основном каталазой, а в митохондриях и эндоплазматическом ретикулуме с помощью глутатионпероксидазы.

Показано, что Н₂О₂ вызывает гибель опухолевых клеток, эндотелиоцитов, NK-клеток и Т-лимфоцитов ВИЧ-инфицированных людей посредством апоптоза. На уровне целого организма отравление Н2О2 приводит к обширной газовой эмболии и повышению активности ядер блуждающего нерва; в результате нарушается функция дыхания и наступает смерть.

Пероксид водорода в малых концентрациях выполняет ряд важных функций в клетке. Так, он используется фагоцитами в реакции, катализируемой миелопероксидазой, для образования гипохлорита, который, в свою очередь, обладает свойством разрушать клеточную стенку бактерий, тем самым защищая организм от чужеродной клетки. Однако кроме защитной функции большое внимание уделяется важной роли пероксида водорода в регуляции клеточной пролиферации и апоптоза. Несмотря на слабые окислительные свойства, он способен окислять SH- группы белков, вызывая тем самым модификацию рецепторных белков, имитируя функцию лиганда. Таким образом, он принимает участие в возникновении и передаче клеточных сигналов.

Супероксид-анион радикал

Существование каталитически активных ионов металлов переменной валентности и (или) органических соединений, способных к одноэлектронным реакциям, в составе оксидоредуктаз или белках-переносчиках кислорода (миоглобин, гемоглобин) приводит к потенциальной возможности одноэлектронного восстановления кислорода до супероксид-радикала - аниона при физиологических значениях рН (pKa супероксида равен 4,7):

Супероксид - анион радикал при взаимодействии с протоном приводит к образованию гидроперекисного радикала (НО₂^-•). При кислых значениях рН НО₂^-•, так же, как и Н₂О₂, не имеет заряда и может проходить через клеточную мембрану.

Супероксид в водных растворах при рН > 5 (см. рКа в уравнении 5) нестабилен и достаточно быстро неферментативно дисмутирует:

Основным источником образования супероксиданион радикала в биологических системах являются НАДФ-оксидаза, ксантиноксидаза, митохондриальная цитохром-с-оксидаза и микросомальные миелооксидазы. Наибольшей способностью продуцировать О₂^-• у человека и животных обладают фагоцитирующие клетки

В живых организмах существует группа специализированных ферментов, отвечающих за снижение уровня супероксид-анион радикала – супероксиддисмутаза (СОД). Генерация О₂^-• играет важную роль в реализации антимикробного, цитотоксического и иммунорегуляторного действия фагоцитов. Супероксид-анион радикал может вызвать окислительную модификацию липопротеинов сыворотки и нуклеотидов.

Супероксид-анион радикал принимает участие в многочисленных реакциях с образованием различных реактивных соединений, таких как пероксид водорода, пероксинитрит, окисленный липопротеин низкой плотности или гипогалоиды.

В результате активации под действием О₂^-• NO-синтазы в тканях образуется NO- радикал, обладающий свойствами вторичного мессенджера и является эндотелиальным фактором расширения сосудов. Вместе с тем, супероксиданионрадикал может уменьшать уровень NO• - радикала за счет превращения его в пероксинитрит. Последний может способствовать индукции апоптоза, а в ходе своего спонтанного распада превращаться в ОН•.