ДЗ Химия / Занятие 8

ЗАНЯТИЕ № 8

Методические указания для студентов

по теме «Роль радикальных процессов. Свободные формы кислорода.

Пероксидное окисление липидов биологических мембран.

Ферментативные и неферментативные ингибиторы окисления»

Цель занятия: Сформировать у студентов представления о радикальных процессах. Показать образование свободных форм кислорода в условиях организма. Продемонстрировать механизм процесса пероксидного окисления липидов биологических мембран. Познакомить с игибиторами процесса пероксидного окисления ферментативной и неферментативной природы.

Значение изучения темы

Важным аспектом проблемы реакций окисления в организме человека являются процессы пероксидного окисления липидов (ПОЛ) биологических мембран. Эти процессы в норме протекают в организме, обеспечивая синтез ряда биологически важных соединений - биорегуляторов (простагландинов, лейкотриенов, тромбоксанов и др.). Интенсификация ПОЛ приобретает патогенетическое значение, поскольку может привести к нарушению целостности биологических мембран, к массовой гибели клеток. В связи с этим необходимо представлять способы коррекции патологических состояний, вызванных интенсификацией ПОЛ.

I. Теоретические вопросы

1. Значение протекания радикальных в организме.

2. Механизм зарождения активных форм кислорода в условиях организма.

3. Процессы пероксидного окисления липидов (ПОЛ) биологических мембран. Схема ПОЛ (инициирование, рост цепей, продолжение цепей, вырожденное разветвление, реакции обрыва цепей). Виды радикалов: пероксидный, алкильный, алкоксильный.

4. Основные представители ферментативных и неферментативных (антиоксидантных) систем организма, механизм их функционирования.

5. Биоантиоксиданты как ловушки алкильных (хиноны, каротиноиды) или пероксидных радикалов (-токоферол, кверцетин и др. фенолы).

II. Обучающие упражнения

Задание 1. Приведите механизм зарождения активных форм кислорода

В активном центре гемоглобина в результате переноса электрона от катиона железа к кислороду образуются супероксид-ион радикалы

Fe²⁺ - e Fe³⁺, О₂ + е  О₂^

При диспропорционировании супероксид-иона образуется пероксид водорода.

О₂ ^ + О₂ ^ + 2 Н⁺  Н₂О₂ + О₂

При реакции супероксид-иона и пероксидом водорода образуется гидроксил-радикал Н₂О₂ + О₂ ^  2ОН^ + О₂

В реакции супероксид-иона с гидроксил-радикалом образуется синглентный кислород:

ОН^ + О₂ ^ *О₂(синглентный) + ОН^- Образование высокоактивного ОН^ радикала происходит также по реакции Фентона: H₂O₂ + Fe²⁺ Fe³⁺+ OH^- + ОН^

Задание 2. Напишите схему реакции пероксидного окисления на примере линолевой кислоты.

Ответ. В молекулах фосфолипидов связи С-Н, расположенные между двумя -связями ( в -положении к ним), атакуются гидроксильными или пероксильными радикалами. Рассмотрим этот процесс на примере линоленовой кислоты:

В результате образуются новые радикалы, существующие в двух мезомерных формах:

Радикал стабилизируется за счет делокализации электронной плотности в сопряженной системе: СН₃-(СН₂)₄-СН^{. . .} СН^{. . .} СН^{. . .} СН^{. . .}СН-(СН₂)₇-СООН

Схематично описанный выше процесс представляется как

RH + OH^  H₂O + R^ инициирование (0)

Таким образом, инициируется процесс неферментативного окисления липидов биологических мембран.

Образующийся алкильный радикал присоединяет молекулу кислорода (за время 10^-6сек) и превращается в очень активный пероксидный (пероксильный) радикал:

R^+ O₂  RО₂^ рост цепей (1)

Пероксидный радикал RО₂^ взаимодействует с соседними углеводородными фрагментами молекулы фосфолипидов, что приводит к образованию гидропероксидов (RООН) и новому алкильному радикалу R^, вновь присоединяющему молекулу О₂ согласно реакции 1.

RО₂^ + RH  RООH + R^ продолжение цепей (2)

Гидропероксиды способны разрушаться с разрывом О-О связей, что приводит к вторичному иницированию и, как следствие, ускорению окисления:

RООH  RО^ + ОН^ вырожденное разветвление (3)

Последняя реакция крайне нежелательна для организма. Поэтому существуют ферментативные антиоксидантные системы, регулирующие в организме концентрацию активных кислородсодержащих ионов и радикалов.

Свободные радикалы взаимодействуют между собой, обрывая цепи окисления в соответствии с элементарными реакциями :

RO₂^+ RO₂^  молекулярные продукты

RO^ + RO^  молекулярные продукты

R^ + R^  молекулярные продукты

Задание 3. Покажите механизм действия ферментативной и неферментативной (антиоксидантной) системы.

Ответ. Ферменты каталаза и глутатионпероксидаза защищают аэробные клетки от окисления, предотвращая возможность радикального разрушения пероксидов. Субстратом для каталазы преимущественно служит пероксид водорода.

2 Н₂О₂  2Н₂О + О₂

В состав простетической группы каталазы входит гемовое железо, в активном центре происходит окисление (Fe²⁺ - e  Fe³⁺).

Глутатионпероксидаза вместе с глутатионом разрушают пероксид водорода и гидропероксиды, защищая клетки от повреждающего действия радикалов, образующихся при гомолитическом разрыве связей RО-ОH.

Глутатион представляет собой трипептид, образованный глутаминовой кислотой, цистеином и глицином :

Реакционоспособной группой глутатиона (R-SH) является тиольная группа. Глутатион взаимодействует с пероксидом водорода и гидропероксидами липидов:

2 R-SH + H₂O₂  2 H₂O + R-S-S-R

2 R-SH + R₁OOH  H₂O +R₁OH + R-S-S-R

Окисленный глутатион способен восстанавливаться:

R-S-S-R + 2H⁺ + 2 e 2 R-S-H

Активный центр глутатионпероксидазы содержит остаток селеноцистеина, в котором атом серы цистеина заменен на атом селена:

Полагают, что действие глутатионовой ферментной системы может быть описано совокупностью реакций:

R-Se-H +H₂O₂  R-Se-OH + H₂O (I)

R-Se-OH + 2 R-S-H  R-Se-H + R-S-S-R + H₂O (II)

R-S-S-R + НАДФ-Н  2 R-S-H + НАДФ⁺ (III)

Задание 4. Показать механизм действия антиоксидантов

Ответ. В присутствии относительно низких концентраций ингибиторов фенольного типа (IпН) (10^-6 - 10^-3 моль/л) обрыв цепей происходит на молекулах антиоксидантов согласно реакции:

IпН +RO₂^ROOH + Iп^ (обрыв цепей) (VII)

Радикал ингибитора (Iп^) обычно неактивен и не участвует в продолжении цепей, в связи с чем антиоксидант выполняет роль ловушки свободных радикалов и способствует значительному торможению окисления.

формула основного липидного антиоксиданта - -токоферола:

В последние годы антиоксиданты применяются в клинической практике (антиоксидантотерапия).

III. Задания для самостоятельной работы

Задание 1. Приведите элементарные реакции инициирования, роста, продолжения и обрыва цепей на примере свободнорадикального окисления олеиновой кислоты. Дайте название радикалам, образующимся в результате этого процесса.

Задание 2. Покажите химизм взаимодействия липидов (RH) с гидроксильными и пероксидными радикалами. Перечислите соединения (антиоксиданты), способные тормозить процесс свободно радикального окисления липидов.

Задание 3. Напишите реакцию уничтожения свободных радикалов с участием важнейшего фенольного биоантиоксиданта (-токоферола).

Задание 4. Представьте механизм образования активных форм кислорода (О₂^, ОН^, О₂^, Н₂О₂). Какие ферменты способны разрушать пероксид водорода и гидропероксиды?

Задание 5. В состав активного центра глутатионпероксидазы входит трипептид глутатион. Изобразите его структуру и приведите химизм реакции глутатиона с пероксидом водорода.

Задание 6. Соотнесите перечисленные ниже соединения к системам ферментативной и неферментативной защиты ПОЛ: супероксиддисмутаза, убихинон, каталаза, глутатионпероксидаза, флавоноиды, липоевая кислота, аскорбиновая кислота.

IV. Выполнение самостоятельной аудиторной работы «Пероксидное окисление липидов биологических мембран. Ферментативные и неферментативные ингибиторы окисления»

V. Подведение итогов занятия.

VI. Домашнее задание: Электронотранспортные цепи (митохондрий). Контрольное тестирование по II модулю.

СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

Основная литература

1. Тюкавкина Н.А., Бауков Ю.И. , Зурабян С.Э. .Биоорганическая химия. Учебник. ГЭОТАР-Медиа. 2010 – 416 с.

2. Тюкавкина Н.А., Бауков Ю.И., Зурабян С.Э. .Биоорганическая химия. Учебник. М., ГЭОТАР-Медиа.- 2009 – 416 с.

Дополнительная литература

1. Зеленин К.Н., Алексеев В.В. Химия общая и биоорганическая. – СПб., «Элби-СПб» - 2003.-712 с.

2. Биоорганическая химия: руководство к практическим занятиям: учебное пособие / ред. Н.А. Тюкавкина, Бауков Ю.И., Зурабян С.Э. - М., ГЭОТАР - Медиа, 2010 г. – 168 с.

3. Попков В.А., Пузаков С.А. Общая химия. Учебник для вузов, - М., ГЭОТАР - Медиа, 2007 - 976 с.

Методическая рекомендация переработана 28.02. 2012г.

Зав. кафедрой общей

и биоорганической химии, д.х.н., профессор Сторожок Н.М.