Практическое занятие № 11

(семинар)

ТЕМА: Свободно-радикальное и микросомальное окисление

ЦЕЛИ ЗАНЯТИЯ: изучить процессы неполного восстановления кислорода и микросомального окисления

Базисные знания

- из курса биоорганической химии студент должен знать, что такое неспаренный электрон, свободно-радикальная частица , понятие об окислительно-восстановительных и свободно-радикальных реакциях, понятие о редокс – потенциалах и редокс – системах, понятие о ПОЛ и механизмах антирадикальной защиты.

Учебная карта занятия вопросы для подготовки к занятию:

1. Полное и неполное восстановление кислорода. Его токсичность и реакционноспособность.

2. Пути образования кислородсодержащих свободных радикалов:

- ферментативные

- неферментативные.

3. Перекисное окисление. Образовани активных форм кислорода. Инициация свободнорадикальных процессов. Переокисление липидов клеточных мембран. Значение ПОЛ: физиологическое (обновление фосфолипидного бислоя мембран), патологическое (мембраноповреждающие эффекты).

4. Механизмы защиты от действия свободных радикалов:

роль ферментов ( каталаза, супероксиддисмутаза, глутатионпероксидаза, глутатионредуктаза) и естественных антиоксидантов (витамины А, Е, С).

5. Микросомальное окисление. Отличие от митохондриального окисления. Схема микросомального окисления.

6 Роль цитохрома Р-450 в микросомальном окислении.

7. Роль микросомального окисления в обезвреживании и метаболизме ксенобиотиков.

Практическая часть Семинар

ПРИЛОЖЕНИЕ

МЕХАНИЗМЫ КЛЕТОЧНОЙ АНТИРАДИКАЛЬНОЙ ЗАЩИТЫ

Свободные активные радикалы в норме в клетке образуются постоянно. Так, в процессе метаболизма веществ в гладком эндоплазматическом ретикулуме флавопротеины, а в митохондриях окислительные энзимы цепи дыхательных ферментов, постоянно продуцируют некоторое количество супероксиданиона (0₂-*) и перекиси водорода (Н₂0₂). Однако содержание в клетке этих и других радикалов жестко контролируются широким спектром биохимических инструментов антирадикальной защиты, включая супероксиддисмутазу, каталазу, G-SH-пероксидазу, GSSG-редуктазу, -каротин, аскорбиновую кислоту, восстановленный глутатион, мочевую кислоту. Отдельные элементы системы защиты действуют комплексно и потенцируют эффект друг друга. Они локализуются либо в гидрофобных, либо гидрофильных компартментах клеток (например, токоферол - липофилен, глутатион - гидрофилен).

Механизмы антирадикальной защиты включают как ферментативные, так и неферментативные процессы. Самым простьм примером некаталитического разрушения радикалов является их гидролиз, лежащий в основе нейтрализации многих водорастворимых продуктов, например, ацилгалидов, эпоксидов, карбокатионов, изоцианатов, эписульфониум-иона и т.д. Наиболее важной неферментативной реакцией "обезвреживания" радикалов является их взаимодействие с биологическими антиоксидантами, такими как витамин Е, глутатион, витамин С. В результате такого взаимодействия образуются нереакционноспособные вещества, прерывание каскад "наработки" свободных радикалов.

Гомеостаз в клетке поддерживается за счет равенства скоростей образования и связывания радикалов. В случае повреждения механизмов защиты клеток, либо активации процессов образования радикалов, превосходящих по интенсивности возможности защиты, или даже разрушающих эти механизмы, развивается поражение клетки. Так, интоксикация преимущественным пульмонотоксикантом паракватом приводит к некоторому снижению содержания глутатиона в печени. Предварительное связывание глутатиона диэтилмалеатом приводит к тому, что паракват приобретает свойства преимущественного гепатотоксиканта. Таким образом, резерв глутатиона в клетке имеет особое значение для обеспечения её антиоксидантной защиты.

Хотя глутатион может взаимодействовать с многочисленньми субстратами и неферментативно, наличие в тканях энзима глутатион-S-трансферазы (GST) значительно ускоряет течение процесса, повышает его эффективность. Множественность форм GST, их широкая субстратная специфичность, высокий уровень активности в различных тканях делают систему глутатионтрансфераз наиболее универсальной и значимой для связывания активных метаболитов.

Глутатион и селен-зависимые глутатионпероксидазы восстанавливают перекись водорода и другие гидроперекиси до менее токсичных алкоголей и воды. Глутатион-дисульфид, образующийся в ходе этой реакции, подвергается обратному восстановлению до глутатиона с помощью НАДФН-зависимой глутатионредуктазы. Активность глутатионредуктазы ингибируют изоцианат-содержащие продукты метаболизма нитрозомочевины.

Два других энзима, имеющих большое значение для детоксикации свободных радикалов, это супероксиддисмутаза (СОД) и каталаза. Первый из энзимов катализирует преобразование двух супероксидных радикалов в молекулу кислорода и перекись водорода. Обнаруживаемая во всех тканях СОД содержит в структуре активного центра ионы Си, Zn, Мп. Образующаяся перекись водорода разрушается с помощью каталазы или глутатионпероксидазного цикла.

Домашнее задание

• В чем состоит токсичность кислорода? Ответ : токсичность кислорода состоит в том, что он может не полностью восстанавливаться, образуя активные формы кислорода.

• Покажите в виде схем образование активных форм кислорода.

• Напишите схемы обезвреживания супероксидиона, пероксида. Укажите ферменты, кофакторы (если имеются), продукты реакций

Какова биологическая роль мультиферментной системы цитохрома Р₄₅₀? Ответ: Цитохром Р₄₅₀ представляет собой очень гидрофобный белок, локализованный внутри мембраны. Простетическая группа по типу гема протопорфирина IX содержит ион Fe³⁺ , играющего роль комплексообразователя. Простетическая группа помещается в гидрофобной полости, активном центре цитохрома Р₄₅₀. Электронное поле Fe³⁺ в поле лигандов сильно искажено, что регистрируется необычным для него спектром поглощения в области 450 нм. Чем больше цитохрома Р₄₅₀ содержится в мембране, тем в лучшем состоянии она находится. «Стареющие» мембраны содержат цитохром Р₄₂₀ (неактивная форма).

4. Назовите основные молекулярные механизмы обезвреживания ксенобиотиков. Микросомальная система окисления представляет собой полиферментный комплекс зависимых от НАДФН·Н⁺ и НАДН·Н⁺ цепей переноса электронов. Общим звеном этих цепей является цитохром Р₄₅₀. В состав этого комплекса входят: цитохром b₅, НАДФН-цитохром Р₄₅₀-редуктаза и НАДН-цитохром b₅ -редуктаза.

НАДФН·Н⁺ и НАДН·Н⁺ являются донорами электронов для процессов гидроксилирования, осуществляемых цитохромами b₅ и Р₄₅₀. ФП₁ и ФП₂ являются переносчиками электронов, флавопротеинами. ФП₁ представляет собой НАДФН-цитохром Р₄₅₀-редуктазу, а ФП₂ является НАДН-цитохром b₅-редуктазой. С ФП₁ и ФП₂ возможен перенос электронов на цитохром С — основной компонент дыхательной цепи митохондрий. В результате осуществляется межмембранный перенос электронов. Несомненно, наиболее важной реакцией микросомального окисления является гидроксилирование, сущность которого заключается во внедрении одного атома активированного кислорода в окисляемое вещество, в то время как другой его атом идет на образование воды, т.е. гидроксилирование протекает по монооксигеназному типу.

Превращение атомов кислорода в молекулу воды и гидроксильную группу окисляемого субстрата осуществляет цитохром Р₄₅₀. Таким образом, в печени и ряде других органов при функционировании микросомальных монооксигеназ из гидрофобных ксенобиотиков образуются полярные соединения, имеющие реактивные группы. Эти соединения могут быть как менее, так и более токсичными, нежели исходные соединения, но они благодаря приобретенным реактивным группам легко вступают в реакции конъюгации с образованием нетоксичных (не всегда) продуктов, легко выводимых из организма с мочой, желчью и калом.

ВТОРАЯ ФАЗА МЕТАБОЛИЗМА КСЕНОБИОТИКОВ

Основные функции этой фазы те же, что и первой: увеличение гидрофильности и снижение токсичности ксенобиотиков. Наиболее важные ферменты второй фазы относятся к классу трансфераз.

Наиболее широка и многообразна активность семейства глутатионтрансфераз, метаболизируюших тысячи ксенобиотиков. Большинство этих ферментов находится в цитоплазме, но некоторые из них локализованы в мембранах ЭПС и митохондрий. Основная реакция - конъюгация

5.Сформулируйте значение монооксигеназных реакций цитохрома Р₄₅₀ в метаболизме липофильных ксенобиотиков.

Изобразите в виде схемы последовательность реакций одноэлектронного восстановления кислорода и гидроксилирования субстрата в монооксигеназной реакции.

Ответ Существует несколько схем действия микросомальных монооксигеназ. Наиболее распространенной является схема обезвреживания, представленная на рисунке. Она хорошо раскрывает механизм биотрансформации химических веществ при участии цитохромов и флавопротеидов, иcпользуя в качестве доноров электронов НАДФН·Н⁺ и НАДН·Н⁺.

Основные ферменты, участвующие в метаболизме ксенобиотиков и локализованные в эндоплазматическом ретикулуме, представлены ниже на рисунке 1

Ферменты, участвующие в метаболизме ксенобиотиков.

(Различные соединения конкурируют за места связывания с цитохромом Р₄₅₀)

Установленные закономерности функционирования микросомальных монооксигеназ получены преимущественно при исследовании печеночной ткани.

Катализируемые цитохромом Р₄₅₀ реакции обычно можно описать уравнением:

RH +О₂ + NADPH + Н⁺ R-OH + H₂0 + NADP⁺

Цитохром Р₄₅₀ называют также оксигеназой смешанного действия, поскольку он не только гидроксилирует субстрат, но и восстанавливает O₂ до Н₂0. Последовательность реакций биотрансформации липофильного ксенобиотика цитохромом Р₄₅₀ представлена на схеме 1.

. Общая схема биотрансформации химических веществ микросомальными монооксигеназами печени

Вещество, подвергающееся биотрансформации (АН), на I стадии взаимодействует с окисленной формой цитохрома Р₄₅₀ (Fe³⁺) с образованием фермент-субстратного комплекса (AH-Fe³⁺). На II стадии фермент-субстратный комплекс восстанавливается (AH-Fe²⁺) электроном, поступающим из НАДФ-Н-зависимой цепи переноса от НАДФ-Н посредством НАДФ-Н-цитохром Р₄₅₀-редуктазы при возможном участии цитохрома b_5. III стадия характеризуется взаимодействием восстановленного фермент-субстратного комплекса с кислородом (АН-Fе²⁺-О₂) Присоединение кислорода осуществляется с большой скоростью. На IV стадии тройной комплекс фермент-субстрат-кислород (AH-Fe²⁺O^2-) восстанавливается вторым электроном, который, по-видимому, поступает из НАД-Н-специфической цепи переноса, включающей НАДН-цитохром b₅ редуктазу, НАДН и, возможно, цитохром b_5. V стадия характеризуется внутримолекулярными превращениями восстановленного тройного комплекса — фермент-субстрат-кислород (AH-Fe²⁺0₂^2- AH-Fe³⁺-0₂^2-) и его распадом с освобождением воды и гидроксилированного субстрата. При этом цитохром Р₄₅₀ переходит в исходную форму, готовую к взаимодействию со следующей молекулой субстрата. Лимитирующей стадией этого процесса является превращение тройного комплекса после его восстановления вторым электроном.

Первый электрон, поступающий из НАДФН-зависимой цепи, участвует в восстановлении Fe³⁺ (вторая стадия). Второй электрон поступает из НАДН·Н⁺-зависимой цепи и расходуется на образование активированного комплекса в четвертой стадии процесса гидроксилирования.

5. Сформулируйте, в чем заключается роль глутатиона в метаболизме ксенобиотиков. Ответ Наиболее широка и многообразна активность семейства глутатионтрансфераз, метаболизируюших тысячи ксенобиотиков. Большинство этих ферментов находится в цитоплазме, но некоторые из них локализованы в мембранах ЭПС и митохондрий. Основная реакция - конъюгация с восстановленным глутатионом – γ-глутамилцистеинил-глицином (G-SH) - протекает в двух вариантах: 1) присоединение к субстрату (алкены и эпоксиды) полной молекулы G-SH, 2) нуклеофильное замещение по электрофильным атомам углерода (галоген- и нитроалканы), азота (тринитроглицерин), серы (тиоцианаты и дисульфиды) или фосфора (метилпаратион).

При дальнейшем метаболизме глутатионовые конъюгаты переходят в меркаптуровые кислоты или меркаптаны. Кроме того, глутатионтрансферазы восстанавливают органические гидроперекиси в спирты и изомеризуют некоторые стероиды и простагландины.

6. В чем проявляется взаимосвязь биотрансформации ксенобиотиков и активации свободно-радикальных процессов? Ответ: В зависимости от условий реакции цитохром Р₄₅₀ может функционировать в микросомах как одно- , двух- и четырёхэлектронная оксидаза, прямо генерируя О_2ׁ^ˉ, Н₂О₂ и Н₂О в активном центре фермента. Активные формы кислорода могут образовываться в результате разобщения микросомальных моноокисгеназных реакций. При этом часть активных молекул кислорода не вступают в реакцию с субстратом, а высвобождаются из восстановленных комплексов цитохрома Р₄₅₀.

Существование в клетке оксидазных и оксигеназных систем, генерирующих активные формы кислорода позволило предположить, что кислородные радикалы играют регулирующую роль в распаде белка. В связи с этим, цитохром Р₄₅₀-зависимая монооксигеназная система также может быть вовлечена в окислительную инактивацию внутриклеточных ферментов. В тоже время цитохром Р₄₅₀, генерируя активные формы кислорода в каталитическом цикле, может действовать и как «фермент-самоубийца». Важно отметить, что ранее существующее мнение о неспецифичности окислительной модификации ферментных белков в процессе катализа в настоящее время подвергнуто сомнению. Так в работах А.И. Арчакова с соавт. (1995) показано, что инактивация цитохрома Р₄₅₀ носит селективный характер. Модифицируется лишь тот фермент, на котором образуются активные формы кислорода. Механизм разрушения цитохрома Р₄₅₀ перекисью водорода, по-видимому, включает образование гидроксильных радикалов в реакции Фентона, которые могут окислять гем и модифицировать некоторые аминокислоты вблизи каталитического центра, что позволяет эндогенным протеазам узнать модифицированный фермент и подвергнуть его гидролитическому расщеплению. В этом случае распад белка носит не случайный характер, а направлен на удаление каталитически модифицированных молекул. В отличие от неспецифической модификации белка, наблюдаемой в системах, генерирующих активные формы кислорода, окислительная самоинактивация цитохрома Р₄₅₀ в гидроксилазных реакциях может специфически регулировать распад только работающего фермента. Возможно, что модифицированные ферменты разрушаются как посредством прямой фрагментации под действием кислородных радикалов, так и вследствие протеолиза. В то же время, генерируя активные формы кислорода, цитохром Р₄₅₀ – монооксигеназная система может участвовать в окислительной инактивации других внутриклеточных ферментов, регулируя тем самым их распад в клетке. Необходимо отметить, что эта реакция очень сходна с реакцией модификации макромолекул в NADРH – оксидазной системе фагоцитов в процессе их микробицидного действия. Причём во всех типах реакций каталитически образующаяся перекись водорода играет ведущую роль.

Таким образом, возможность самоинактивации определённых форм цитохрома Р₄₅₀ со всеми вытекающими последствиями необходимо учитывать при рассмотрении таких ситуаций, когда в организм человека поступают извне чужеродные соединения, в том числе лекарственные вещества, в повышенных количествах.

Практические навыки, которыми должен овладеть студент : уметь сформулировать принципиальное различие между митохондриальным и микросомальным окислением, знать механизмы антирадикальной защиты организма