МИНИСТЕРСТВО ЗДРАВООХРАНЕНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
«РОССИЙСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ МЕДИЦИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ Н. И. ПИРОГОВА»
(ФГБОУ ВО РНИМУ ИМЕНИ Н. И. ПИРОГОВА МИНЗДРАВА РОССИИ)
КАФЕДРА БИОХИМИИ И МОЛЕКУЛЯРНОЙ БИОЛОГИИ
ЛЕЧЕБНОГО ФАКУЛЬТЕТА
_____________________________________________________________________________________
Карбышев М.С., Абдуллаев Ш.П.
БИОХИМИЯ ОКСИДАТИВНОГО
СТРЕССА
УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ
Под общей редакцией проф. Шестопалова А.В.
Москва
2017
ISBN
УДК 577.1.616.31
ББК
НАЗВАНИЕ ПОСОБИЯ: Биохимия оксидативного стресса.
Учебно-методическое пособие для самостоятельной работы студентов по специальности «Лечебное дело» под общей редакцией д.м.н., проф. Шестопалова А.В. заведующего кафедрой Биохимии и молекулярной биологии лечебного факультета ФГБОУ ВО РНИМУ имени Н.И. Пирогова Минздрава России, Москва, Издательство……………………………………………2017 г., с.53
Пособие «Биохимия оксидативного стресса» предназначено для студентов медицинских вузов, обучающихся по специальности «Лечебное дело». Задача пособия помочь студентам овладеть весьма сложным материалом курса «Биохимия».
При подготовке пособия большое внимание было уделено биохимии окислительного стресса, компонентам антиоксидантной системы и роли системы окислительного стресса в норме и при патологии. Пользование пособием возможно после освоения основ биохимии. Пособие составлено в соответствии с действующим ФГОС по специальности «Лечебное дело»
Составители: к.б.н. Карбышев М.С., Абдуллаев Ш.П.*,
*-аспирант кафедры фармакологии ФФМ ФГБОУ ВО МГУ им. М.В. Ломоносова
Рецензенты: А.Г. Мустафин - зав. кафедрой биологии ФГБОУ ВО РНИМУ им. Н.И.Пирогова Минздрава России, д.м.н., профессор
Ж.М. Салмаси – профессор кафедры патофизиологии и клинической патофизиологии ФГБОУ ВО РНИМУ им. Н.И.Пирогова Минздрава России
Рекомендовано к печати ЦКМС
ББК
УДК
ФГБОУ ВО « РНИМУ им. Н.И.ПИРОГОВА», 2017 год
Оглавление
I. Оксидативный стресс. 4
II. Активные формы кислорода. 5
III. Неферментативные пути образования АФК. Химизм процессов СРО. 7
IV. Ферментативные пути образования активных форм кислорода 9
Микросомальные монооксигеназы. 10
Ксантиноксидоредуктаза. 10
NADPH-оксидаза. 11
NО-синтаза. 12
Миелопероксидаза. 13
V. Механизмы повреждающего действия окислительного стресса: повреждение белков, нуклеиновых кислот, деградация мембранных фосфолипидов, образование межмолекулярных комплексов. 15
Повреждение ДНК 15
Повреждение белков 16
Перекисное окисление липидов 17
Образование комплексов. 21
VI. Антиоксидантная система организма, роль, компоненты 22
VII. Антиоксиданты неферментативной природы 25
Аскорбиновая кислота 26
Токоферол 26
Каротиноиды 28
Коэнзим Q10 30
Тиоредоксин 31
Металлотионеины 31
XI. Ферментные системы антиоксидантной защиты 32
Супероксиддисмутаза 32
Каталаза 34
Глутатионпероксидаза 35
Глутатион-S-трансферазы. 38
Церулоплазмин 40
Трансферрин 40
VIII. Свободнорадикальное окисление, фагоцитоз и воспаление 41
IX. Дополнительный материал 47
Окислительный стресс и апоптоз 47
Окислительный стресс и канцерогенез 50
Свободные радикалы при ишемии-реперфузии повреждения миокарда. 51
Вопросы для самоконтроля 53
Литература 57
I. Оксидативный стресс.
Кислород — один из самых распространенных химических элементов в природе. Реакция восстановления кислорода является основой биоэнергетики всех аэробных форм жизни.
Молекулярный кислород (О2) обладает уникальной электронной конфигурацией. Кислород имеет два неспаренных электрона и представляет собой бирадикал. Согласно теории валентных связей, молекула кислорода представляет собой два атома, объединенные двойной связью (О=O). Однако высокую реакционная способность молекулы кислорода объясняет теория молекулярных орбиталей, согласно которой кислород имеет тройную связь(•О≡О•).
Окислительный стресс – это резкое усиление окислительных процессов в организме при недостаточном функционировании антиоксидантной системы. Сигналом для запуска стресс-реакции может служить некое стереотипное изменение внутренней среды клетки. Таким сигналом вполне может являться смещение прооксидантно-антиоксидантного равновесия (или перекисного гомеостаза) в направлении активации окислительных процессов. Сбалансированность между обеими частями этой системы является необходимым условием для поддержания нормальной жизнедеятельности клетки.
Нарушение баланса, обусловленное стимуляцией свободнорадикального окисления (СО) и снижением активности антиоксидантов (АО), может привести к накоплению продуктов СО и в силу их высокой реакционной способности вызвать изменение структуры нуклеопротеидов, белков, липидов и других важнейших соединений, что чревато развитием в организме патологических процессов.
II. Активные формы кислорода.
В основном состоянии молекула кислорода имеет два неспаренных электрона, т.е. представляет собой бирадикал и является значительно менее активным окислителем, чем это следует из его термодинамических свойств.
Основное количество потребляемого человеком молекулярного кислорода участвует в реакции митохондриального окисления, при котором на молекулу О2 происходит одновременный перенос четырех электронов с образованием двух молекул воды или эквивалентных соединений. Во всех живых организмах постоянно протекают реакции одноэлектронного восстановления, которое приводит к образованию промежуточных продуктов восстановления молекулы кислорода. Эти соединения представляют собой группу различных веществ радикальной и нерадикальной природы, которые обладают высокой реакционной способностью, вследствие чего получили название активных форм кислорода (АФК). К ним относят: супероксидный анион – радикал (О2∙-), перекись водорода (Н2О2), гидроксильный радикал (HO∙), синглетный кислород (1О2), гипогалоиды (HOCl, НОCI, НОBr, НОI, НОSCN), оксид азота (NO∙) и др.
Рис 1. Основные источники АФК в организме.
Активные формы кислорода представляют собой совокупность короткоживущих, взаимопревращающихся и относительно реакционноспособных форм кислорода, которые возникают в результате его электронного возбуждения или окислительно-восстановительных превращений.
Рисунок 2. Основные пути и ферменты генерации АФК в организме человека и животных
I – цитохром-с-оксидаза; II – флавиновые оксидазы; III – ксантиноксидаза; IV – NADPH – оксидаза; V – NO-синтаза; VI – реакция Фентона; VII – реакция Хабера-Вайса; VIII – воздействие радиации; IX – перекисное окисление липидов; X–неферментативное окисление гемоглобина; XI – каталаза; XII – миелопероксидаза.
Свободный радикал - это молекула или её часть, имеющая неспаренный электрон на внешней атомной или молекулярной орбите. Свободные радикалы могут быть нейтральными или заряженными – т.н. ион-радикалы.
Свободнорадикальное окисление протекает при участии активных форм кислорода, которые образуются в процессе одноэлектронного восстановления кислорода. Обычно эти реакции своднорадикального окисления протекают в активном центре соответствующих ферментов, а промежуточные продукты не появляются во внешней среде.
Рис.3. Различные виды АФК.