Лекции по биохимии РостГМУ / 9. Лекция. Антиоксидантная защита организма

АНТИОКСИДАНТНАЯ ЗАЩИТА

Повреждающие механизмы ПОЛ

Различают первичный и вторичный повреждающий механизмы ПОЛ.

I. Первичный механизм ПОЛ связан с непосредственным действием свободных радикалов или продуктов ПОЛ на клетку.

В результате действие первичного механизма идет деструкция полиненасыщенных жирных кислот (ПНЖК), входящих в состав мембранных фосфолипидов. Из «срезанных хвостов» ПНЖК, имеющих двойную связь, образуются промежуточные продукты ПОЛ: оксикислоты, этилен, кетоны, альдегиды. Из «срезанных хвостов», имеющих две и более двойные связи, образуется вторичный продукт ПОЛ – малоновый диальдегид (МДА).

МДА имеет две реакционно-способные альдегидные группы. Легко взаимодействует с белками, липидами, белково-липидными комплексами, образуя внутри- и межмолекулярные сшивки путём образования ковалентных связей по остаткам аминогрупп (радикалы лизина и концевые аминогруппы белков, аминогруппы фосфатидэтаноламинов).

Полимеризация белков, липидов и белково-липидных комплексов

Полимеризация белков, липидов и белково-липидных комплексов с образование Шиффовых оснований (третичный – конечный продукт ПОЛ). Уровень оснований Шиффа является информативным критерием, отражающим интенсивность ПОЛ.

Реакции образования внутри- и межмолекулярных сшивок можно представить следующим образом:

а) образование внутримолекулярной сшивки в молекуле белка:

образовалось Шиффово основание

В результате ограничивается способность молекулы белка к изменению конформации, что приводит к утрате функции белка.

б) образование межмолекулярной сшивки между молекулами белков:

состоящий из 2-х остатков белковых молекул

в) образование межмолекулярных сшивок между молекулами фосфотидилэтаноламинов:

В результате возрастает микровязкость мембраны, снижается её текучесть, что приводит к изменению функции мембраны. При старении организма этот процесс приводит к образованию ксантоматозных бляшек вследствие накопления липофусцина.

Полимерные белок-липидные комплексы стабильны и легко обнаруживаются флюориметрическими методами.

Все эти изменения приводят к нарушению функции ферментов, ассоциированных в мембране, и мембранных рецепторов. Образование комплексов делает мембрану ригидной (невосприимчивой к внешним сигналам), так как конформационные изменения белковых молекул (ферментов, транспортных систем, рецепторов), лежащие в основе биохимического ответа клетки на внешнее воздействие, осуществляются с трудом.

д) образование межмолекулярных белок-липидных сшивок:

2H2O

Окисление аминокислот и белков, содержащих сульфгидрильные группы

SH-группы входят в состав цистеина и метионина и выступают в качестве восстановителей, взаимодействуя со свободными радикалами:

Pr —SH + RO2˙→PrS˙ + ROOH (гидроперекись ЖК)

Образующиеся радикальные формы очень неустойчивы и легко взаимодействуют друг с другом:

PrS˙ + PrS˙ → Pr —S—S—Pr

В результате такого взаимодействия образуются неполярные ковалентные связи (дисульфидные мостики). Такой тип взаимодействия характерен для радикалов свободных аминокислот.

Радикалы аминокислот также могут подвергаться окислению молекулярным кислородом:

PrS˙ + О2 + Н+ → PrSOOH (белковые сульфопроизводные)

Разрыв гликозидных связей в полисахаридах

Под действием свободных радикалов осуществляется окисление и разрыв гликозидных связей, что приводит к деструкции полисахаридов.

Деструкция и разрушение нуклеопротеинов

Деструкция и разрушение нуклеопротеинов осуществляется: а) по азотистому основанию; б) по углеводному компоненту; в) по белковой части.

В результате деструкции нуклеопротеинов клетка утрачивает генетическую информацию.

II. Вторичный повреждающий механизм ПОЛ

Является следствием первичного свободно-радикального повреждения химической структуры биологически важных молекул.

1.Повышение проницаемости биомембран

Врезультате атаки НО˙ у α-углеродного атома молекулы ненасыщенной жирной кислоты, входящей в состав фосфолипидов биологических мембран, появляется перекисная группировка: сначала - ОО˙, затем - ООН.

Перекисная группа гидрофильна и выталкивается и выталкивается на поверхность мембраны вместе с жирной кислотой, на которой находится. На

поверхности мембраны имеется фермент фосфолипаза А2, которая «выстригает» радикалы ненасыщенных ЖК из фосфолипидов с образованием ОН-групп. Фосфолипиды, утратившие остатки ЖК, превращаются в лизофосфатиды. В результате в мембране появляются ОН-группы, образующие гидрофильные поры. Таким образом, мембрана превращается в «решето» и нарушается её главное свойство – избирательная проницаемость.

OH• атака

Повышение проницаемости биомембран – образование гидрофильных пор

ОН

R – O

ФЛ

Лизофосфатид

Снижение процессов окислительного фосфорилирования.

В физиологических условиях митохондриальная мембрана непроницаема для протонов и ΔμН+ = 0,2В, а Н+ проникают во внутреннюю митохондриальную мембрану по каналу АТФ-синтетазы. При повышении интенсивности ПОЛ и появлении в мембране гидрофильных пор, Н+ имеют возможность возвращаться в мембрану через эти поры, минуя канал АТФсинтетазы. В результате меняется величина ΔμН+. Окисление субстратов в дыхательной цепи не прекращается, но идёт в холостую, так как АТФ не синтезируется. Из-за разобщения окислительного фосфорилирования.

Кроме ионов водорода через гидрофильные каналы проходят Na+. Это приводит к нарушению симпорта аминокислот и глюкозы, которые

проникают в клетку с ионами натрия.

Na+, Ca2+

ОН НО

В результате работы Na+/Ca2+- обменника усиливается поступление в клетку ионов Са2+, при этом активируются Са-зависимые гидролазы, разрушающие собственные структуры клетки.

Также меняется активность мембранных ферментов, меняется микровязкость мембран, конформация рецепторов и нарушается их взаимодействие с лигандами.

Система регуляции ПОЛ

Существуют ферментативные и неферментативные системы регуляции ПОЛ.

Ферментативная система регуляции

Ферментативная система регуляции включает три линии защиты:

1)супероксиддисмутаза (СОД) + каталаза;

2)глутатионпероксидаза (ГПО) + глутатионредуктаза (ГР);

3)церулоплазмин + трансферин.

I. линия антиоксидантной защиты (СОД+катазаза)

СОД - содержится в клетках любого происхождения, считается мембранным ферментом. В активном центре содержится ион Сu2+ или Mn2+ (митохондриальная СОД). Существует также Zn2+-содержащая СОД. Фермент обладает высокой активностью – 1 молекула фермента способна обеспечивать дисмутацию (одновременное окисление и восстановление) 4,8 × 106 молекул супероксид-анион-радикала в минуту.

Каталитическую активность фермента обеспечивает Cu2+, выполняющий роль и акцептора, и донора электрона:

СОД

Каталаза – антиперекисный фермент. Фермент представляет собой олигомерный белок (тетрамер), содержащий атом Fe2+/3+. Каталаза обладает очень высокой активностью и работает при высокой концентрации пероксида водорода. Одна молекула фермента обеспечивает расщепление 5 × 106 молекул Н2О2 в минуту:

На основе СОД и каталазы разработаны лекарственные препараты:

1)пероксинорм (препарат СОД из печени крупного рогатого скота);

2)эпурокс (СОД + каталаза);

3)редоксан (препарат СОД из эритроцитов человека).

II. линия антиоксидантной защиты (ГПО + ГР – глутатион-зависимые ферменты)

Глутатион – трипептид (глу – цис – гли). Свои восстановительные свойства глутатион проявляет за счёт SH-групп цистеина.

Глутатионпероксидаза (ГПО) не обладает строгой специфичностью. Фермент содержится во всех клетках: в мембранах и протоплазме. В активном центре содержит Se. ГПО способна разрушать гидроперекиси ЖК за счёт SH-групп глутатиона и образования дисульфидных мостиков:

Помимо этого, ГПО обладает псевдокаталазной активностью и может разрушать пероксид водорода подобно каталазе. Необходимо отметить, что каталазную активность фермент проявляет при более низких концентрациях Н2О2, чем каталаза.

глутатион

Источником НАДФН+Н+ является пентозофосфатный путь окисления глюкозы (печень и эритроциты). Реакцию, в которой генерируется НАДФН+Н+ катализирует фермент глюкозо-6-фосфатдегидрогеназа.

Помимо ГПО инактивацию гидроперекисей ЖК может осуществлять мембранный фермент глутатионтрансфераза, который входит в общую пероксидазную активность клетки.

III. линия антиоксидантной защиты

Церулоплазмин (ЦП) – белок плазмы крови и её основной антиоксидант. Является белком острой фазы при воспалении. В активном

центре содержит Cu2+. Другое название фермента – ферроксидаза, так как он окисляет Fe2+:

Церулоплазмин ингибирует ПОЛ на стадии разветвления цепи, так как окисляет Fe2+ - донор электронов.

В плазме церулоплазмин за счёт Cu2+ может проявлять свойства СОД. Трансферрин – плазменный белок, обеспечивающий связывание и

транспортировку Fe3+ в депо. Образуя координационные связи с атомом Fe3+, трансферрин работает по типу хелатора (комплексообразователя).

Неферментативная система регуляции ПОЛ

Природные антиоксиданты:

1. α-токоферол (витамин Е) – α-ТФ в больших количествах содержится в семенной жидкости и развивающихся клетках. Благодаря своей структуре погружается в мембрану и является мембранным антиокисдантом. В основе действия α-ТФ лежит взаимодействие с радикалами, образующимся в цепи окисления жирных кислот (RO2˙):

Радикалы α-ТФ˙ выталкиваются на поверхность мембраны. Два радикала способны к рекомбинации с образованием димеров нерадикальной природы. В мембранах α-ТФ сохраняется в постоянном количестве, хотя является витамином и в организме человека не синтезируется. Восстановление радикалов α-ТФ˙ осуществляет аскорбиновая кислота.

Подобно α-ТФ проявляют активность стероидные гормоны, убихиноны, витамин К и пуриновые основания.

2. аскорбиновая кислота (витамин С)

Суточная норма витамина-С составляет 70 мг.

При восстановлении α-ТФ˙ аскорбиновая кислота отдаёт один из атомов водорода, переходя в семидегидроаскорбиновую кислоту (радикальная форма аскорбиновой кислоты). Это соединение является прооксидантом, так как может восстанавливать Fe3+ в Fe2+:

Две радикальные формы аскорбиновой кислоты могут взаимодействовать между собой с образованием восстановленной и полностью окисленной формы аскорбиновой кислоты.

Помимо этого, существует НАД-зависимая и глутатион-зависимая системы восстановления аскорбиновой кислоты, но их активность низкая.

3. амины

К природным антиоксидантам относятся различные амины, но они не являются истинными антиоксидантами.

Например, цистамин (SH–CH2–CH2–NH2) взаимодействует с МДА, а не со свободными радикалами, тем самым препятствуя реализации его повреждающего действия на биологически важные молекулы.

4. HS-соединения

Соединения, в состав которых входит SH-группа, являются инактиваторами гидроперекисных радикалов ЖК. К ним относятся глутатион и серосодержащие аминокислоты – метионин и цистеин. Наибольшее количество глутатиона содержится в печени и эритроцитах:

Например, цистеин обезвреживает перекисный радикал ЖК, образуя менее агрессивное соединение гидроперекиси ЖК и радикал цистеина.

Две радикальные формы цистеина могут взаимодействолвать между собой с образованием нерадикального соединения – цистина:

5. многоатомные спирты

Ловушками свободных радикалов являются многоатомные спирты (сорбит, ксилит, манит, а также альдегидоспирт – глюкоза). Они связывают свободные радикалы и АФК, включая гидроксильный радикал, за счёт своих ОН-групп. Например, введение 10 мл 40% раствора глюкозы обеспечивает нейтрализацию свободных R˙.

6. комплексообразователи

Комплексообразователи или хелаторы – способны образовывать координационные связи с ионами Fe2+/3+. В результате образуются комплексные соли. Примерами комплексообразователей являются ЭДТА (этилендиаминтетрауксусная кислота), ди- и трикарбоновые кислоты.

7. мембрана сама является структурным антиоксидантом. Структура мембраны такова, что она препятствует вхождению катализатора ПОЛ и контакта интактной мембраны с продуктами ПОЛ. На мембране находятся мембранные глутатион-зависимые ферменты – Глутатион-S-трансфераза; α- токоферол, восстанавливаемый витамином С.

Синтетические антиоксиданты

1. Существуют синтетические антирадикальные органические вещества, которые выступают в роли конкурента субстратов ПОЛ (ЖК). Обозначим их как InH.

У ингибитора связь с протоном очень лабильна и гораздо слабее, чем у α-углеродного атома в молекуле ненасыщенной ЖК. Энергия, необходимая для разрыва связи In–H равна 40 – 60 ккал/моль. Энергия, необходимая для разрыва связи С–Н в молекуле жирной кислоты равна 70 – 90 ккал/моль. Поэтому реакция InH с RO2˙ идёт легче, чем с RH.

Образовавшийся радикал ингибитора (In˙) малоактивен и не способен инициировать новые цепи окисления жирных кислот, так как не обладает достаточным запасом энергии для разрыва связи С–Н.

Как правило, радикалы ингибиторов взаимодействуют друг с другом с

вещества, как ионол (дитретбутилфенол) и дибунол (на его основе готовят лекарственный препарат – линимент дибунола).

третбутиловая группировка

ионол

Экранированная НО-группа, которая принимает на себя атаку свободных радикалов, окружённая с двух сторон гидрофобными метильными группами, защищающими мембрану.

В организме человека ионол оказывает меньшую активность чем α- токоферол, так как строение молекулы ионола не позволяет погружаться в мембрану в отличие от α-токоферола и ионол более гидрофобен. Ионол используется для наружного применения, чаще всего при ожогах.