2.Активные формы кислорода

Кислород, необходимый организму для функционирования ЦПЭ и многих других реакций, является одновременно и токсическим веществом, если из него образуются так называемые активные формы.

• К активным формам кислорода относят:

• ОН^• - гидроксильный радикал;

• - супероксидный анион;

• Н₂О₂ - пероксид водорода.

Активные формы кислорода образуются во многих клетках в результате последовательного одноэлектронного присоединения 4 электронов к 1 молекуле кислорода. Конечный продукт этих реакций - вода, но по ходу реакций образуются химически активные формы кислорода. Наиболее активен гидроксильный радикал, взаимодействующий с большинством органических молекул. Он отнимает от них электрон и инициирует таким образом цепные реакции окисления. Эти свободнорадикальные реакции окисления могут выполнять полезные функции, например, когда клетки белой крови с участием активных форм кислорода разрушают фагоцитированные клетки бактерий. Но в остальных клетках свободнорадикальное окисление приводит к разрушению органических молекул, в первую очередь липидов, и, соответственно, мембранных структур клеток, что часто заканчивается их гибелью. Поэтому в организме функционирует эффективная система ингибирования перекисного окисления липидов (ПОЛ).

А. Источники активных форм кислорода

ЦПЭ как источник активных форм кислорода

Утечка электронов из ЦПЭ и непосредственное их взаимодействие с кислородом - основной путь образования активных форм кислорода в большинстве клеток.

Кофермент Q в ЦПЭ принимает от доноров последовательно по одному электрону, превращаясь в форму семихинона (рис. 8-55) - KoQH^• (см. раздел 6).

Этот радикал может непосредственно взаимодействовать с кислородом, образуя супероксидный анион , который, в свою очередь, может превращаться в другие активные формы кислорода:

Рис. 8-55. Реакции последовательного восстановления убихинона вдыхательной цепи.

Многие оксидазы - ферменты, непосредственно восстанавливающие кислород, образуют пероксид водорода - Н₂О₂. Оксидазы образуют пероксид водорода по схеме:

О₂ + SH₂ → S + Н₂О₂,

где SH₂ - окисляемый субстрат.

Примеры таких оксидаз - оксидазы аминокислот, супероксид дисмугаза, оксидазы, локализованные в пероксисомах. Оксидазы пероксидом окисляют, в частности, жирные кислоты с очень длинной углеродной цепью (более 20 углеродных атомов) до более коротких, которые далее подвергаются β-окислению в митохондриях.

Монооксигеназы, например цитохром Р₄₅₀, включающий один атом кислорода в окисляемую молекулу, и диоксигеназы, включающие оба атома кислорода, также служат источниками активных форм кислорода.

Пероксид водорода химически не очень активен, но способствует образованию наиболее токсичной формы кислорода - гидроксильного радикала (ОН^•) по следующей реакции:

Fe²⁺ + Н₂О₂ → Fe³⁺ + ОН^- + ОН^•.

Наличие в клетках Fe²⁺ или ионов других переходных металлов увеличивает скорость образования гидроксильных радикалов и других активных форм кислорода. Например, в эритроцитах окисление иона железа гемоглобина способствует образованию супероксидного аниона.

Б. Перекисное окисление липидов

Реакции перекисного окисления липидов (ПОЛ) являются свободнорадикальными и постоянно происходят в организме. Свободнора-дикальное окисление нарушает структуру многих молекул. В белках окисляются некоторые аминокислоты. В результате разрушается структура белков, между ними образуются ковалент-ные "сшивки", всё это активирует протеолитические ферменты в клетке, гидролизующие повреждённые белки. Активные формы кислорода легко нарушают и структуру ДНК. Неспецифическое связывание Fe²⁺ молекулой ДНК облегчает образование гидроксильных радикалов, которые разрушают структуру азотистых оснований. Но наиболее подвержены действию активных форм кислорода жирные кислоты, содержащие двойные связи, расположенные через СН₂-группу. Именно от этой СН₂-группы свободный радикал (инициатор окисления) легко отнимает электрон, превращая липид, содержащий эту кислоту, в свободный радикал.

ПОЛ - цепные реакции, обеспечивающие расширенное воспроизводство свободных радикалов, частиц, имеющих неспаренный электрон, которые инициируют дальнейшее распространение перекисного окисления.

Стадии перекисного окисления липидов

1) Инициация: образование свободного радикала (L•)

Инициирует реакцию чаще всего гидроксильный радикал, отнимающий водород от СН₂-групп полиеновой кислоты, что приводит к образованию липидного радикала.

2) Развитие цепи:

L • + О₂ → LOO • LOO• + LH → LOOM + LR•

Развитие цепи происходит при присоединении О₂, в результате чего образуется липопе-роксирадикал LOO• или пероксид липида LOOH.

ПОЛ представляет собой свободнорадикальные цепные реакции, т.е. каждый образовавшийся радикал инициирует образование нескольких других.

3) Разрушение структуры липидов

Конечные продукты перекисного окисления полиеновых кислот - малоновый диальдегид и гидропероксид кислоты.

4) Обрыв цепи - взаимодействие радикалов между собой:

LOO• + L• → LOOH + LH L• + vit E → LH + vit E• vit E• + L• → LH + vit Е_окисл.

Развитие цепи может останавливаться при взаимодействии свободных радикалов между собой или при взаимодействии с различными антиоксидантами, например, витамином Е, который отдаёт электроны, превращаясь при этом в стабильную окисленную форму.

В. Повреждение клеток в результате перекрестное окислени лепидов

Активные формы кислорода повреждают структуру ДНК, белков и различные мембранные структуры клеток. В результате появления в гидрофобном слое мембран гидрофильных зон за счёт образования гидропероксидов жирных кислот в клетки могут проникать вода, ионы натрия, кальция, что приводит к набуханию клеток, органелл и их разрушению. Активация перекисного окисления характерна для многих заболеваний: дистрофии мышц (болезнь Дюшенна), болезни Паркинсона, при которых ПОЛ разрушает нервные клетки в стволовой части мозга, при атеросклерозе, развитии опухолей. Перекисное окисление активируется также в тканях, подвергшихся сначала ишемии, а затем реоксигенации, что происходит, например, при спазме коронарных артерий и последующем их расширении.

Такая же ситуация возникает при образовании тромба в сосуде, питающем миокард. Формирование тромба приводит к окклюзии просвета сосуда и развитию ишемии в соответствующем участке миокарда (гипоксия ткани). Если принять быстрые лечебные меры по разрушению тромба, то в ткани восстанавливается снабжение кислородом (реоксигенация). Показано, что в момент реоксигенации резко возрастает образование активных форм кислорода, которые могут повреждать клетку. Таким образом, даже несмотря на быстрое восстановление кровообращения, в соответствующем участке миокарда происходит повреждение клеток за счёт активации перекисного окисления.

Изменение структуры тканей в результате ПОЛ можно наблюдать на коже: с возрастом увеличивается количество пигментных пятен на коже, особенно на дорсальной поверхности ладоней. Этот пигмент называют липофусцин, представляющий собой смесь липидов и белков, связанных между собой поперечными ко-валентными связями и денатурированными в результате взаимодействия с химически активными группами продуктов ПОЛ. Этот пигмент фагоцитируется, но не гидролизуется ферментами лизосом, и поэтому накапливается в клетках, нарушая их функции.

ПОЛ происходит не только в живых организмах, но и в продуктах питания, особенно при неправильном приготовлении и хранении пищи. Прогоркание жиров, образование более тёмного слоя на поверхности сливочного масла, появление специфического запаха у молочных продуктов - всё это признаки ПОЛ. В продукты питания, содержащие ненасыщенные липи-ды, обычно добавляют антиоксиданты - вещества, ингибирующие ПОЛ и сохраняющие структуру компонентов пищи.

Г. Системы защиты клеток от активных форм кислорода

Ферменты антиоксидантного действия

К ферментам, защищающим клетки от действия активных форм кислорода, относят супе-роксиддисмутазу, каталазу и глутатионпероксидазу; Наиболее активны эти ферменты в печени, надпочечниках и почках, где содержание митохондрий, цитохрома Р₄₅₀ и пероксисом особенно велико. Супероксиддисмутаза (СОД) превращает супероксидные анионы в пероксид водорода:

2 + 2H⁺ → H₂O₂ + O₂

Изоферменты СОД находятся и в цитозоле и в митохондриях и являются как бы первой линией защиты, потому что супероксидный анион образуется обычно первым из активных форм кислорода при утечке электронов из дыхательной цепи.

СОД - индуцируемый фермент, т.е. синтез его увеличивается, если в клетках активируется перекисное окисление.

Пероксид водорода, который может инициировать образование самой активной формы ОН•, разрушается ферментом каталазой:

2Н₂О₂ → 2 Н₂О + О₂.

Каталаза находится в основном в пероксисомах, где образуется наибольшее количество пероксида водорода, а также в лейкоцитах, где она защищает клетки от последствий "респираторного взрыва" (см. раздел 6).

Глутатионпероксидаза - важнейший фермент, обеспечивающий инактивацию активных форм кислорода, так как он разрушает и пероксид водорода и гидропероксиды липидов. Он катализирует восстановление пероксидов с помощью трипептида глутатиона (γ-глутамилцистеинилглицин). Сульфгидрильная группа глутатиона (GSH) служит донором электронов и, окисляясь, образует дисульфидную форму глутатиона, в которой 2 молекулы глутатиона связаны через дисульфидную группу.

Н₂О₂ + 2 GSH → 2 Н₂О + G-S-S-G.

Окисленный глутатион восстанавливается глутатионредуктазой:

GS-SG + NADPH + Н⁺ → 2 GSH + NADP⁺.

Глутатионпероксидаза, которая восстанавливает гидропероксиды липидов в составе мембран, в качестве кофермента использует селен (необходимый микроэлемент пищи). При его недостатке активность антиоксидантной защиты снижается.

Витамины, обладающие антиоксидантным действием

Витамин Е (α-токоферол) - наиболее распространённый антиоксидант в природе - является липофильной молекулой, способной инактивировать свободные радикалы непосредственно в гидрофобном слое мембран и таким образом предотвращать развитие цепи перекисного окисления. Различают 8 типов токоферолов, но α-токоферол наиболее активен.

Витамин Е отдаёт атом водорода свободному радикалу пероксида липида (ROO•), восстанавливая его до гидропероксида (ROOH) и таким образом останавливает развитие ПОЛ (рис. 8-56).

Свободный радикал витамина Е, образовавшийся в результате реакции, стабилен и не способен участвовать в развитии цепи. Наоборот, радикал витамина Е непосредственно взаимодействует с радикалами липидных перекисей, восстанавливая их, а сам превращается в стабильную окисленную форму -- токоферолхинон.

Витамин С (аскорбиновая кислота) также является антиоксидантом и участвует с помощью двух различных механизмов в ингибировании ПОЛ. Во-первых, витамин С восстанавливает окисленную форму витамина Е и таким образом поддерживает необходимую концентрацию этого антиоксиданта непосредственно в мембранах клеток. Во-вторых, витамин С, будучи водорастворимым витамином и сильным восстановителем, взаимодействует с водорастворимыми активными формами кислорода -Н₂О₂, ОН• и инактивирует их.

β-Каротин, предшественник витамина А, также обладает антиоксидантаьш действием и ингибирует ПОЛ. Показано, что растительная диета, обогащённая витаминами Е, С, кароти-ноидами, существенно уменьшает риск развития атеросклероза и заболеваний ССС, подавляет развитие катаракты - помутнения хрусталика глаза, обладает антиканцерогенным действием. Имеется много доказательств в пользу того, что положительное действие этих компонентов пищи связано с ингибированием ПОЛ и других молекул и, следовательно, с поддержанием нормальной структуры компонентов клеток.

Рис. 8-56. Механизм антиоксидантного действия витамина Е. Витамин Е (а-токоферол) ингибирует свободнорадикальное окисление путём отдачи электрона, что приводит к инактивации радикала липида, а витамин Е превращается в стабильный, полностью окисленный токоферолхинон.

3.

Витамин В₅ - (пантотеновая кислота, пантотенат кальция).По номенклатуре Международного союза по чистой и прикладной химии (IUРАС) пантотеновая кислота – это витамин В₃ . Витамин В₅ - (витамин антидерматитный, фактор против дерматита цыплят, фильтратный фактор, пантотен, витамин BX) - водорастворимый витамин, содержится в пивных и хлебных дрожжах, зерновых продуктах, некоторых овощах.

Витамин был открыт Р.Вильямсом в 1933г., спустя десятилетие он уже был синтезирован химическим путем.

Биологическая роль данного витамина очень обширна, так как от него зависят почти 80 ферментов. Витамин В ₅ входит в состав ацетил-Ко-А и в ацетилпереносящий белок, он участвует в процессах ацетилирования, утилизации пирувата, синтезе липидов и стероидов. Участвует во всех процессах обмена веществ в организме. Витамин В₅ необходим для обмена жиров, углеводов, аминокислот, синтеза жизненно важных жирных кислот, холестерина, гистамина, ацетилхолина, гемоглобина.

Пантотеновая кислота получила свое название от греческого "пантотен", что означает "всюду", из-за чрезвычайно широкого ее распространения.

• Биологическая роль витамина В5

Значение пантотеновой кислоты определяется участием её коферментов в биохимических реакциях: 4-фосфопантотеин является коферментом пальмитоилсинтазы, дифосфо-СоА-кофермент цитратлиазы и частично кофермент многочисленных реакций превращения ацилов. КоА - основная коферментная форма витамина В3 в клетках. С его участием протекают следующие реакции:

• Активирование ацетата и жирных кислот.

• Окисление жирных кислот.

• Синтез холестерина и других стероидных соединений.

• Синтез кетоновых тел.

• Образование цитрата и превращение сукцинил-СоА на стадии субстратного фосфорилирования в цикле Кребса.

• Синтетические реакции с использованием сукцинил Со А (синтез Δ- аминолевулиновой кислоты).

• Синтез ацетилхолина.

• Синтез ацетилглюкозаминов.

• Реакции ацетилирования чужеродных соединений обезвреживание) и образования гиппуровой кислоты.

• Окисление пирувата и а-кетоглютарата.

• Реакции ацетилирования биогенных аминов.

Важнейшим свойством витамин В ₅ является его способность стимулировать производство гормонов надпочечников - глюкокортикоидов, что делает его мощным средством для лечения таких заболеваний как артрит, колит, аллергия и болезни сердца.

Витамин В ₅ играет важную роль в формировании антител, способствует усвоению других витаминов, а также принимает участие в синтезе нейротрансмиттеров.

Пантотеновая кислота участвует в метаболизме жирных кислот. Она нормализует липидный обмен и активирует окислительно-восстановительные процессы в организме. Пантотеновая кислота оказывает значительное гиполипидемическое действие, обусловленное, ингибированием биосинтеза основных классов липидов, формирующих в печени липопротеины низкой и очень низкой плотности.

 

• Метаболизм витамина В5

Кишечная микрофлора в норме синтезирует 3,4 мг пантотеновой кислоты в сутки.

Поступившая с пищей пантотеновая кислота из кишечника путем диффузии всасывается в кровь и далее в ткани. В тканях происходит биосинтез коферментных форм пантотеновой кислоты - фосфопантотеина и коэнзима-А (SH-KoA, кофермент ацилирования). Коэнзим А - одно из немногих веществ в организме, участвующее в метаболизме и белков, и жиров, и углеводов. Катаболизм коферментов происходит путем их гидролиза, пантотеновая кислота и её метаболиты (пантетин и (3-аланин) выводятся с мочой.

Пантотеновая кислота чувствительна к нагреванию, при термической обработке теряется почти 50% витамина. Она разрушается сухим жаром - в духовке или в гриле, растворами кислот и щелочей, используемых при консервировании или замораживании, и при обработке пищевых продуктов (помол зерна, рафинирование сахара, прокаливание жиров и масел).

 

• Симптомы недостаточности витамина В5

Симптомы дефицита одной лишь пантотеновой кислоты не выявлены, однако недостаток одного из витаминов группы В обычно свидетельствует о нехватке и витамина В ₅ . Прием пантотеновой кислоты показан вместе с другими витаминами группы В при повышенной усталости, нарушение сна, потеря аппетита, тошноте, дерматитах. Считают, что дефицит витамина В₅ играет роль в патогенезе педиолалгии и эритромегалии – заболеваниях, связанных с поражением малых артерий дистальных отделов нижних конечностей.

Поскольку витамин присутствует в пище повсеместно, дефицит у людей встречается редко, за исключением специально созданных условий с целью изучения. У добровольцев, находившихся в условиях искусственного дефицита в течение 9-10 недель, развивались следующие симптомы: боли в животе, выпадение волос, потеря аппетита, недостаточность нервных функций - жгучая боль в ногах и потеря координации, эмоциональные симптомы депрессии, раздражительности и нервозности, мышечные спазмы, слабость, утомляемость, тошнота и рвота, ускоренное сердцебиение, низкое кровяное давление, экзема и бессонница.

В экспериментах на животных дефицит витамина приводит к широкому кругу осложнений, среди которых ненормальное развитие молодых особей, спонтанные аборты на ранних стадиях, стерильность, нарушения волосяных и кожных покровов, пигментации, недостаточность желудочно-кишечного тракта, нервной системы и внезапная смерть.

К дефициту витамина могут привести малое содержание в пище белков, жиров, витамина С, витаминов группы В, заболевания тонкого кишечника с синдромом мальабсорбции, а также длительное применение многих антибиотиков и сульфаниламидов.

 

• Показания к назначению витамина В5

Дополнительный прием витамина В ₅ требуется:

• Людям, потребляющим малокалорийную или недостаточно богатую питательными веществами пищу, а так же тем, кто испытывает повышенную потребность в питательных веществах.

• Людям старше 55 лет.

• Употребляющим алкоголь.

• Беременным и кормящим женщинам.

• Людям, страдающим изнурительными, хроническими заболеваниями, включая спру, глютеновую болезнь, региональный энтерит.

• Тем, кто длительное время испытывает стрессовое состояние.

• При повышенной физической нагрузке.

 

• Гипервитаминоз витамина В5

Симптомы интоксикации не выявлены. Витамин В ₅ совершенно нетоксичен и безопасен.

 

• Потребности в витамине В5

Суточная потребность в пантотеновой кислоте взрослого человека точно не установлена, ориентировочно она составляет 10-12 мг для взрослых мужчин и женщин и до 2 мг в день для детей; беременных и кормящих женщин - 15-20 мг. Адекватное потребление при диетическом питании – 5 мкг/сут, безопасное – 15 мкг/сут.

Часть потребности человека в пантотеновой кислоте удовлетворяется за счет ее синтеза кишечной микрофлорой, так как кишечная микрофлора в норме синтезирует 3,4 мг пантотеновой кислоты в сутки.

Роджер Вильяме, профессор биохимии, который открыл этот витамин, доказывал, что доза в 50 мг в день для беременной женщины могла бы резко сократить количество внутриутробных пороков и выкидышей. В свете последних научных данных эта доза совершенно оправдана.

Необходимость в витамине В ₅ (как это справедливо и для всей группы В и для С) чрезвычайно увеличивается при физическом и эмоциональном напряжении или во время болезни. Некоторые врачи прописывают дозы от 200 до 400 мг в день в такое время, когда выделение естественных стероидов (гормонов стресса) высоко.

 

• Пищевые источники витамина В5

Пищевые источники пантотеновой кислоты (мг/100 г): печень говяжья (6,8) печень свиная (5,8), почки говяжьи (3,8), почки свиные (3,0) горох лущеный (2,3), соя (1,75), фасоль (1,2), яйца куриные (1,3), кета, сардина (1,0).

Также витамин В ₅ содержится в следующих продуктах: цельное зерно, зерновые ростки, пивные дрожжи, отруби, куриное мясо, брокколи, авокадо, апельсины, бананы, горох, молоко, омары, соя, чечевица.

4.