ТОХФ / 6 группа (ХТБМП) / Биохимия / Лекции - Коваленко - 2003 / 15. активный кислород

5

Клетки и активный кислород

Кислород участвует в метаболических превращениях аэробных организмов различ-ными путями. Здесь, например, окислительное фосфорилирование, фотофосфорили-рование и окислительное превращение в нормальном метаболизме и в биотрансфор-мации ксенобиотиков. В первом случае идет дегидрирование субстратов с переносом электронов от восстановительного потенциала в NAD(Р)Н на молекулы кислорода – конечный акцептор электронов – дискретными этапами с четко фиксированными окислительно-восстановительными потенциалами. В этом процессе, связанном с пря-мым восстановлением молекулы кислорода четырьмя электронами, образуется вода. Различные оксигеназы вводят в структуру субстратов один или два атома кислорода. В частности, оксигеназы смешанных функций, представляющие собой гемопротеины, окисляют СН‑связи с образованием гидроксилированных производных. Так, например, с участием монооксигеназ идет образование адреналина из фенилаланина, а гидрок-силированные таким образом гидрофобные ксенобиотики после этого сочетаются с гидрофильными веществами, переходят в раствор и после этого выводятся из организма.

Процессы переноса электронов на кислород находятся под строжайшим ферментатив-ным контролем, обеспечивающим полное восстановление кислорода до воды или его включение в органические молекулы. Электронная конфигурация молекулы кислорода соответствует бирадикалу и поэтому его восстановление до воды гораздо легче проте-кает по схеме последовательного присоединения, чем при согласованном переносе четырех электронов. Одноэлектронное восстановление приводит к реакционноспособ-ным промежуточным состояниям кислорода, которые в небольшом объеме всегда сопровождают течение нормального метаболизма:

При переносе на молекулу кислорода нечетного числа электронов образуются два свободных радикала с неспаренными электронами на связывающих орбиталях. Самым реакционноспособным из них является гидроксильный радикал. Он на несколько порядков легче реагирует с органическими молекулами, чем супероксид, который к тому же легко диспропорционирует на кислород, и гораздо менее реакционноспособ-ный пероксид:

Гидроксильный свободный радикал – это мощный и неизбирательный окислитель, реагирующий с многими органическими веществами, входящими в состав клеток, с константами скорости порядка 110⁹-110¹⁰ моль^-1сек^-1. Вызываемое гидроксильным радикалом окисление представляет собой отрыв электрона от органической молекулы с образованием из нее свободного радикала, который с участием кислорода превраща-ется в гидропероксид, генерируя при этом в цепной реакции множество новых свободных радикалов. То есть идет реакция инициации и распространения цепи.

Инициация:

Распространение цепи:

Обрыв цепи происходит в результате рекомбинации различных радикалов в том числе и с образованием пероксидов, например ROOR’.

Свободные радикалы сильно различаются в стабильности и реакционной способности. Некоторые органические свободные радикалы оказываются настолько долгоживущи-ми, что их можно идентифицировать методами ЭПР. Органические и неорганические пероксиды и гидропероксиды окисляют остатки ненасыщенных жирных кислот в липи-дах мембран. Одним из продуктов этого окисления является малоновый диальдегид, который может быть обнаружен соответствующей цветной реакцией. Продукты непол-ного восстановления молекул кислорода, органические пероксидные свободные ради-калы и пероксидные соединения часто объединяют названием «активный кислород». Кроме того, существует еще так называемый синглетный кислород. При спонтанных изменениях спина электрона обычный триплетный кислород, который из-за несоот-ветствия электронных характеристик молекул плохо реагирует с синглетными органи-ческими молекулами, переходит в синглетное состояние и становится более сильным окислителем. В процессе фотосинтеза образуется также триплетный хорофилл, а обмен электронами между ним и триплетным кислородом приводит к появлению синглетного кислорода с одним из электронов на разрыхляющей орбитали, что делает его еще более сильным окислителем. Для «гашения» триплетного хлорофилла и синглетного кисло-рода в состав мембран клеток растений входят каротиноиды, которые принимают в систему сопряженных связей эти электроны с необычными спинами и удерживают их до нового спонтанного изменения спина.

Объяснение токсичности кислорода образованием свободных радикалов впервые было дано Гершманом (Gershman), который обратил внимание на подобие патологических изменений при гипероксии и рентгеновском облучении. Основываясь на том, что при радиолизе водных растворов образуются свободные радикалы, он в 1954 году сформу-лировал гипотезу о том, что кислородное отравление вызывается кислородными сво-бодными радикалами. Он также дал этому явлению название гипероксидный стресс. Точно так же действие активного кислорода, каким бы ни был его источник, называют оксидативным стрессом.

Аэробные клетки подвергаются оксидативному стрессу даже при нормальном течении метаболических процессов. В клетках печени стационарная концентрация пероксида водорода определена равной 10^-9 моль/л. Содержащийся в цитозоле пероксид водорода – это продукт диспропорционирования супероксида, рассчитанная концентрация которого равна 10^-12 моль/л. Внутриклеточный супероксид может быть образован в результате отклонений от нормального транспорта электронов в мембране митохонд-рий, например, так, как это постоянно идет в эритроцитах при окислении двухвалент-ного железа в переносящем кислород геме:

Это обеспечивает низкую, но постоянную скорость окисления некоторых железосодер-жащих компонент электронпереносящей цепи в восстановленном виде. Тем не менее, самую высокую склонность к окислению в этой цепи показывает восстановленный убихинон.

Метаболические или экологические отклонения от нормы могут провоцировать повы-шенный уровень концентрации активного кислорода. При метаболических превраще-ниях ксенобиотиков свободные радикалы образуются в качестве основного или побочного продукта. Первым из них стал известен трихлорметильный радикал (CCl₃^), который образуется при метаболическом окислении четыреххлористого углерода цитохромом Р₄₅₀.

Известно также, что хиноновые соединения переводят кислород в пероксид водорода. Хорошо известному токсическому действию примахина на эритроциты предшествует накопление в них пероксида водорода. NADPH- и NADH-зависимые флавопротеины катализируют восстановление хинонов в свободнорадикальные семихиноны, а семи-хиноны окисляются с образованием активного кислорода:

Окисление гидрохинонов также идет с промежуточным образованием семихинонов:

Токсичность хинонов объясняется как возможностью их превращения в органический свободный радикал, так и оксидативным стрессом в результате образования активного кислорода (возможность присоединения биомолекул по двойным связям хинонов здесь не рассматривается). Основной механизм зависит от химической природы хинона и от реакционной способности семихинонов в их реакции с кислородом. Во всяком случае некоторые хиноидные антибиотики с противораковой активностью проявляют цитоток-сичность через генерирование активного кислорода.

Активный кислород лежит в основе гербицидной активности и токсичности параквата и других дипиридилиевых солей, которые превращаются в катионоидный свободный радикал при переносе одного электрона, катализируемом NADРН-зависимыми микро-сомальными флавопротеинами. Катионный радикал параквата легко переносит свой неспаренный электрон на кислород с образованием супероксида, а сам возвращается в окисленную форму. Непрерывный цикл окислительно-восстановительных превраще-ний – вот основа токсичности и гербицидной активности дипиридилиевых солей, проявляющейся в постоянном генерировании активного кислорода и полном исчерпании пула NADРН.

Стимулированные фагоцитные клетки (нейтрофилы) также производят значительные количества супероксида в результате переноса одного электрона на кислород, катали-зируемом NADРН-зависимым ферментным комплексом, локализованным в плазма-тической мембране этих клеток. Образующиеся при этом супероксид и пероксид, как известно, отвечают за бактерицидное действие нейтрофилов и участвуют в течении воспалительных процессов.

Многие ткани содержат ксантиндегидрогеназу (XD), которая катализирует окисление гипоксантина в ксантин и мочевую кислоту. Электроны этих субстратов переносятся на NADР⁺ с образованием NADН. Иммуноцитохимический анализ показал, что этот фер-мент находится в эндотелии сосудистой системы. Когда ток оксигенированной крови в сосудах какого-либо органа блокируется (ишемическая болезнь), ксантиндегидрогеназа подвергается частичному протеолизу и превращается в ксантиноксидазу (ХО). Теперь несмотря на накопление субстрата перенос электронов на NADР⁺ становится невозмож-ным, так как ХО этот процесс уже не катализирует. Конечным акцептором становится кислород и опять образуются супероксид и пероксид. Постишемический поврежден-ный эндотелий сосудов, омываемый оксигенированной кровью, становится источником активного кислорода и повреждается им еще больше.