Kurs_lektsiy_po_Biokhimii_-20200516 / 8. Лекция. Перекисное окисление липидов

ПЕРЕКИСНОЕ ОКИСЛЕНИЕ ЛИПИДОВ (ПОЛ)

ПОЛ – это сложный многоступенчатый процесс, протекающий через образование короткоживущих свободных радикалов.

Свободный радикал – это молекула или её часть, имеющая один неспаренный электрон на внешней атомной или молекулярной орбитали. Свободные радикалы могут быть нейтральными или заряженными (например, ион-радикалы). Свободные радикалы не накапливаются в организме вследствие высокой активности, поэтому их очень тяжело регистрировать.

Химизм ПОЛ: это цепной свободно-радикальный механизм. ПОЛ может начаться лишь в том случае, если в системе появляется свободный радикал. Чаще всего - это активные формы кислорода (АФК).

Участники ПОЛ:

1.Ненасыщенные высшие жирные кислоты, входящие в состав биологических мембран. Чем выше содержание ненасыщенных жирных кислот, тем активнее идёт ПОЛ.

2.Кислород, т.е. его активнее формы.О2.

Триплетный кислород

Молекулярный кислород (О2) в основном (невозбуждённом) состоянии является стабильным бирадикалом. У него на внешних разрыхляющих π- орбиталях содержится по одному неспаренному электрону с параллельными однонаправленными спинами.

О2

Такая электронная конфигурация является причиной чрезвычайно низкой реакционной способности молекулярного кислорода по отношению к стабильным органическим соединениям, имеющим на внешних орбиталях спаренные электроны.

Синглетный кислород (О21)

Изменение спина одного из электронов, находящихся на внешних π- орбиталях в молекуле кислорода приводит к образованию возбуждённого синглетного состояния.

Энергия синглетного состояния больше энергии основного триплетного состояния. Синглетный кислород метастабилен. Он очень высоко реакционноспособен, поэтому легко вступает в окислительные реакции с органическими соединениями и принимает участие в инициации ПОЛ.

Механизм образования АФК

Различают неферментативный и ферментативный пути образования АФК.

I. Неферментативный путь образования АФК

Синглетный кислород подвергается одноэлектронному восстановлению:

протонируется

Затем идёт дальнейшее восстановление НО2˙:

Fe2+

валентности (Fe2+).

Сами по себе эти АФК не опасны, но они могут взаимодействовать между собой с образованием более агрессивной АФК - НО˙, являющейся самым мощным индуктором ПОЛ (например, пероксид водорода повышает интенсивность ПОЛ).

Пути образования НО˙

1. Реакция Фентона:

Fe2+/Fe3+

Н2О2 + ē НО˙ + НО- (гидроксильный ион) (НО-ОН)

2. Реакция Хабера-Вейса:

Н2О2 + О2• → НО• + НО- + О21 (НО-ОН)

3. Радиолиз (ионизация) воды:

Протонирование пероксинитрита (ONOO-): в организме человека в условиях достаточного количества аргинина НАДФ-зависимый фермент NO˙-синтаза при участии О2 синтезирует нитроксильный радикал (NO˙):

При недостатке аргинина NO˙-синтаза действует как НАДФ-оксидаза и вырабатывает Н2О2. NO˙ взаимодействует с супероксидным анионрадикалом с образованием пероксинитрита:

NO˙ + О2• → ONOO-

ONOO- окисляет железосерные центры белков, тиольные соединения и нитрирует белки по остаткам тирозина. В нейтральной среде ONOO- нестабилен и после протонирования быстро разлагается (период полураспада менее 1 с) с образованием НО˙:

ONOO- + Н+ → НО˙ + NO2- (нитрит-ион).

НО˙ (гидроксильный радикал) – самый активный, самый агрессивный инициатор ПОЛ. Его окислительно-восстановительный потенциал равен +2,33 В, тогда как у кислорода +0,82 В. Время его жизни составляет 10-9 секунд, радиус миграции – 10-9 м. Гидроксильный радикал легко разрывает любую С—Н связь.

II.Ферментативный путь образования АФК

Образование АФК катализируют ферменты, относящиеся к подклассу оксидазы.

1.Ксантиноксидаза (КО) – главный фермент катаболизма пуриновых оснований. Использует в качестве акцептора электронов молекулярный кислород. В активном центре фермента содержатся ионы Mo и Fe3+. Активность фермента наиболее высока в кишечнике и печени. В физиологических условиях КО находится преимущественно в ксантиндегидрогеназной форме (использует в качестве акцептора электронов НАД+), но при закислении среды может переходить в ксандиноксидазную форму путём частичного протеолиза.

НO

N NН

Н2О, О2 НАД+, Н2О

КО КД

Н2О2 НАДН+Н+

в присутствии Са2+-зависимых протеиназ

2. L-оксидаза аминокислот – осуществляет прямое окислительное дезаминирование аминокислот. Фермент содержится в почках и печени.

Реакция осуществляется в две стадии: на первой стадии происходит дегидрирование аминокислоты с образованием иминокислоты, на второй стадии происходит спонтанный гидролиз иминокислоты с выделением свободного аммиака и кетокислоты. Кофактором фермента является ФМН. Этот процесс малоактивен, так как оптимум рН для фермента равен 10.

АФК

3. Моноаминооксидаза (МАО) – катализирует процесс окислительного дезаминирования аминов с образованием альдегидов и выделением аммиака. Кофактором фермента является ФАД.

+H2O, E-MAO

Н2О2 О2

4 Миелопероксидаза (МПО) – внутриклеточный фермент фагоцитирующих клеток. Катализирует образование гипогалоидов (активных форм галогенов). Вследствие того, что гипогалоиды содержат в своей структуре атом кислорода, их причисляют к АФК.

МПО хлорноватистая к-та

Н2О2 + Cl- + H+ HOCl + H2O

OCl- H+

гипохлорид-ион вызывает хлорирование амино- и иминогрупп.

5. НАДФ-оксидаза фагоцитирующих клеток

ПФП

ē, О21, НАДФ-оксидаза фагоцитов

НАДФ+

НАДФ-оксидаза активируется при высоких концентрациях О21

6. Митохондриальные оксидазы. НАДН-оксидаза (митохондриальная оксидаза) и убихинон – компонент сукцинатоксидазного участка цепи транспорта электронов – являются системой, продуцирующей О2•. В физиологических условиях около 5% кислорода в дыхательной цепи преобразуется в АФК (супероксидный анион-радикал).

CoQH2 + O2 → CoQH• + H+ + О2•

CoQH• + O2 → CoQ + H+ + О2•

7. Микросомальная монооксигеназа. Катализирует реакцию гидроксилирования в процессе детоксикации ксенобиотиков в печени. Реакция протекает с участием кислорода. 75% кислорода, поглощаемого печенью преобразуется в супероксидный анион-радикал.

активный тройной комплекс

Этапы ПОЛ

1. Инициация цепи.

Свободные радикалы жирных кислот (ЖК) образуются при отрыве гидроксильным радикалом (НО˙) атома водорода от α-углеродного атома (атом углерода, находящийся рядом с двойной связью). Связь между атомом водорода и α-углеродным атомом ослаблена вследствие смещения электронной плотности в сторону двойной связи, что делает эту связь удобным местом для атаки с наименьшей затратой энергии. Олеиновая, линолевая, линоленовая и арахидоновая кислоты содержат соответственно 2,3,4,5 α-углеродных атомов.

Схема инициации ПОЛ:

СН3–(СН2)3–*СН2–СН=СН–*СН2–СН=СН–*СН2–(СН2)6–СООН

неспаренной валентностью, которая делокализуется и принадлежит как бы всей системе в целом. Такая система неустойчива и легко окисляется молекулярным кислородом с образованием перекисного радикала жирной кислоты:

R˙ + O2 ROO˙ перекисный радикал жирной кислоты

2. Развитие цепи

Перекисный радикал жирной кислоты действует подобно НО˙ и атакует новую интактную жирную кислоту:

RO2• + ′RH→ ROOH + ′R• (ацильная форма новой жирной кислоты)

гидроперекись жирной кислоты

′R• + O2 → ′RO2•

легко окисляется

Продуктом реакции является гидроперекись ЖК (диеновые коньюгаты или первичный продукт ПОЛ). Реакцией, лимитирующей скорость процесса, является реакция взаимодействия перекисного радикала ЖК с новой окисляющейся молекулой – реакция продолжения цепи. В результате такого взаимодействия свободно-радикальные формы постоянно возобновляются и, в принципе, процесс мог бы идти безостановочно до полного исчерпания субстратов окисления, однако длина цепи не превышает 10 звеньев вследствие рекомбинации свободных радикалов и обрыва цепи.

3. Обрыв цепи (рекомбинация свободных радикалов)

Радикалы взаимодействуют друг с другом в различных комбинациях:

1). R˙ + R˙ R — R нерадикальный димер

2). R˙ + RОО˙ RООR нерадикальный перекисный продукт

3). RОО˙ + RОО˙ RООR + О2 + hη энергия, выделяющаяся в виде кванта света – хемилюминесценция (регистрируется с помощью специальных приборов – хемилюминометров

Рекомбинация свободных радикалов приводит к обрыву цепи, однако ПОЛ не прекращается.

4. Разветвление цепи.

Перекисный продукт неустойчив и легко распадается в присутствие ионов Fe2+

Fe2+

ROOH + ē RO• + HO- (гидроксильный анион)

*R• + О2 *RO2• перекисный радикал жирной кислоты

Процесс идёт безостановочно.

RO•+ OH-

‘RH ROH O2 ′′R•

′′′RH RO2•

ROOR