Активные формы кислорода

Кроме активных радикалов кислорода существуют и другие реактивные молекулы.

Существует много активных форм кислорода

 В процессе клеточной жизни происходит формирование большого разнообразия активных форм кислорода, обладающих как разрушительным действием, так и несущих полезную функциональную нагрузку.

Синглетный кислород	1O2	Возбужденная и мутагенная форма кислорода, генерируется при поглощении энергии радиации или солнечного света.
Супероксид анион-радикал	О22–•	Формируется, когда кислород восстанавливается при переносе одного электрона на его внешнюю оболочку. Основной источник – дыхательная цепь электронов. Разрушительная активность невелика.
Гидроксил радикал	HO•	Наиболее активный кислородный радикал, реагирующий с большинством биомолекул. Является основным повреждающим агентом в радиобиологическом поражении всех типов макромолекул: углеводородов, нуклеиновых кислот (возникновение мутаций), липидов, белков.
Пероксид водорода	Н2О2	Стабильная активная форма кислорода. Легко проникает через клеточные мембраны. Образуется в клетке при участии ферментов оксидаз. И, наоборот, пероксидазы используют пероксид водорода в качестве одного из субстратов в реакциях окисления.  Является основным источником очень агрессивного гидроксил-радикала.
Липоперекисный радикал	L-OO•	Образуется в процессе перекисного окисления липидов (ПОЛ) и является его промежуточным метаболитом. Активно участвует в разветвлении и развитии процесса ПОЛ.
Липопероксид	L-OOH	Является конечным продуктом перекисного окисления липидов. При определенных воздействиях способен вновь превращаться в радикальную форму.
Гипохлорная кислота  Гипохлорит-анион	HOCl OCl–	Секретируется полиморфонуклеарами в фаголизосомы как главный бактерицидный агент. Может проходить сквозь мембраны и вносить вклад в развитие воспалительных повреждений.
Оксинитрит анион (оксид азота)	NO	Газообразный радикал, образуется из аргинина. Его синтез стимулируется цитокинами (фактором некроза опухоли, интерлейкинами) и физическими упражнениями. Также, согласно одной из функций, называется эндотелиальным расслабляющим фактором.  Снижение его продукции снижает микробицидную и противоопухолевую активность макрофагов.
Пероксинитрит анион	ONOO–	Образуется в реакции оксида азота и супероксид аниона. Способен повреждать широкий круг веществ, включая ДНК и белки. Участвует в переходе клетки в процесс апоптоза.

3. Неферментативные пути образования активных форм кислорода: реакции Фентона, Хабера-Вейса. Роль излучения в образовании афк. Автоокисление гемоглобина.

Механизмы образования АФК подразделяют на ферментативные и неферментативные. В частности, в ходе процессов одноэлектронного окисления или восстановления образуются заряженные свободные радикалы, подразделяемые на катионили анион-радикалы. В основе механизма неферментативного образования АФК находятся нижеследующие реакции: 1. O2 +1ē → О2 ∙-

2. HO∙ + 1ē + 2Н+ → 2Н2О

3. О2 ∙- +1ē → О 2- 2 + 2Н+ → Н2О2 4. HO + H → H O

В свою очередь, одна из наиболее активных форм кислорода - гидроксильный радикал (HO• ) (которая очень очень опасна) достаточно быстро образуется из пероксида водорода, в присутствии атомов Fe 2+ и/или О2 •

Пероксид водорода является нейтральным соединением и поэтому легко проходит через клеточные мембраны. Ковалентная связь между атомами кислорода в H2O2 может разрываться при воздействии ионизирующего или ультрафиолетового излучения, при спонтанном взаимодействии с ионом железа Fe2+ (реакция Фентона) или с супероксид анионрадикалом (реакция Харбера-Вейса)

Видим – на молекулу Н2О2 подействовали излучением, образовался опасный радикал гидроксила (HO• ). Это происходит при взаимодействии Н2О2 с атомами железа (реакция Фентона) или супероксидом (Хабера-Вайса). Таким образом, из безобидного пероксида мы можем получить уже опасные свободные радикалы гидроксила. При физиологических условиях реакция Хабера-Вайса идет

крайне медленно, но ее способны ускорять металлы с переменной валентностью (железо Fe2+/Fe3+, медь Cu+/Cu2+)

Этот самый радикал гидроксила чрезвычайно реакционноспособен и отнимает электрон от первой же встреченной молекулы, инициируя

цепные реакции свободно-радикального окисления в клетке. А

это не очень хорошо, мягко говоря.

Автоокисление гемоглобина. Окисление Fe2+ до Fe3+ в геме происходит случайно или под действием токсинов (нитраты, нитриты, нафталин, сульфаниламиды). В процессе жизнедеятельности железо гемоглобина постоянно окисляется, превращаясь из двухвалентной в трёхвалентную форму. Гемоглобин, железо которого трёхвалентно, называется метгемоглобином.

Метгемоглобин не участвует в транспорте кислорода, поэтому в нормальных эритроцитах постоянно идёт процесс восстановления образующегося метгемоглобина в гемоглобин. Эритроциты, содержащие метгемоглобин, склонны к гемолизу. Физиологический уровень метгемоглобина в крови - менее 1%

4.Ферментативные реакции образования активных форм кислорода: НАДФН оксидаза, моноаминоксидаза, ксантиноксидаза, оксидазы аминокислот. Роль микросомального (цитохром Р450) и митохондриального (коэнзим Q) окисления в появлении свободных радикалов.

Некоторые ферменты при осуществлении своей реакции производят активные формы кислорода. При этом свободные радикалы могут быть как целевыми продуктами, например, для НАДФоксидазы, миелопероксидазы, NO-синтазы, так и появляться как обязательный, но все-таки побочный продукт реакции (моноаминоксидаза, лизилоксидаза, ксантиноксидаза, циклоксигеназы, липоксигеназы, оксидазы D- и L-аминокислот).

НАДФН-оксидаза – АФК как главный продукт

НАДФН-оксидаза в основном локализуется на плазматической мембране моноцитов и гранулоцитов и играет роль при фагоцитозе. Она представляет собой мультикомпонентную систему, состоящую из цитозольных (обращённых в сторону цитоплазмы) и мембрано-связанных субъединиц. При стимуляции фагоцитов происходит

быстрая самосборка цитозольных и мембранных компонентов в НАДФНоксидазный комплекс.

Окисляя НАДФН внутри клетки, НАДФН-оксидаза одновременно связывает внеклеточный O2 и восстанавливает его до супероксид анион-радикала, чем обеспечивает бактерицидный эффект при фагоцитозе. Этот супероксид затем образует

Убивает микроорганизмы, поглощающиеся фагоцитами.

Тут мы можем видеть 6 субъединиц НАДФНоксидазы – часть из них в

цитоплазме, часть

– встроена в мембрану. Однако в процессе активации происходит самосборка этих шести компонентов в месте образования фагосомы. При этом образуется местная электроннотранспортная цепь, которая переносит электроны от восстановленного НАДФН на кислород с образованием супероксида.

МОНОАМИНОКСИДАЗА - фермент, содержащий медь, находящийся на внешней мембране митохондрий клеток нервной системы, печени, ЖКТ и осуществляющий катаболизм моноаминов (нейромедиаторы, содержащие 1 аминогруппу) посредством их окислительного дезаминирования.

Дезаминирует она серотонин, адреналин, дофамин, норадреналин и др

При этом акцептором электронов и протонов является кислород и образуется ПЕРЕКИСЬ ВОДОРОДА – АФК.

КСАНТИНОКСИДОРЕДУКТАЗА

Вот тут интересно. Изначально, в обычных условиях, этот фермент присутствует в виде дегидрогеназы и осуществляет превращение гипоксантина в ксантин, а затем в мочевую кислоту.

НО в условиях гипоксии клеток ксантин-дегидрогеназа необратимо превращается в оксидазу –

ксантиноксидазу. Здесь акцептором уже будет кислород

Как мы видим, в этих реакциях изменяется АКЦЕПТОР. Если сначала электроны при окислении гипоксантина передавались на НАД+, то теперь они передаются на кислород, который при этом восстанавливается и образует перекись водорода - АФК.

ОКСИДАЗЫ D- И L-АМИНОКИСЛОТ

Это ферменты, располагающиеся в пероксисомах печени и почек и содержащие флавиновые коферменты – ФАД (для Д-аминокислот) и ФМН (для Л-аминокислот). ФАД и ФМН очень похожи по структуре, они оба содержат изоаллоксазиновое кольцо в составе Оксидазы аминокислот катализируют окислительное дезаминирование аминокислот, при этом акцептором протонов и электронов является, опять, кислород! Он снова образует АФК

– перекись водорода.

ЦИТОХРОМ 450

Большинство оксидаз, пероксидаз и оксигеназ (ферментов, катализирующих реакции окисления в клетке) связывают О2. То есть оксидаза что-то окисляет с участием кислорода, а сам кислород должен, естественно,

восстановиться. Эти ферменты переносят к кислороду одиночные электроны через атомы металлов. При этом образуются… радикалы. Надеюсь, это уже понятно. Так вот, эти свободнорадикальные промежуточные соединения (метаболиты) могут улизнуть, случайно высвободиться до завершения процесса восстановления кислорода. Я думаю, вы все уже это поняли, но ещё раз – кислород, присоединяя к себе один электрон, превращается в свободный радикал – форму, которая НЕ ДО КОНЦА

восстановилась – активную форму кислорода или АФК. Так вот, эта полувосстановленная форма как раз

взяла и улизнула из цитохрома, не закончив процесс восстановления. Так, фермент Цитохром Р450 является основным источником свободных радикалов, которые могут сбежать до завершения реакции. Стимуляция Цитохрома Р450 при употреблении алкоголя, наркотиков или других химических токсинов приводит к усиленной работе этого комплекса, и, как следствие, к увеличению «убежавших» свободных радикалов – активных форм кислорода - которые не дождались второго электрона, а взяли всего один и пошли разрушать всё вокруг.

КОЭНЗИМ Q

Коэнзим Q, он же убихинон – является одним из основных источников образования супероксида. Вообще, убихинон – это такая гидрофобная молекула, которая как бы растворяется во внутренней мембране митохондрий и принимает на себя электроны от I и II комплекса дыхательной цепи, сам он при этом восстанавливается в убихинол – QH2. Помнишь, в самом начале я показывала эту схему?

Полухинон (или семихинон) – CoQH • - одноэлектронная
полувосстановленная форма Коэнзима Q. Он свободно перемещается по мембране