2. 2.2. Супероксидный анион-радикал

Присоединение одного электрона к молекуле кислорода в основном состоянии приводит к образованию супероксидного анион-радикала (О₂^. ):

О₂ + е^- → О₂^.

2рπ^*   |  

|

Триплетное состояние О₂ О₂^.

Схема электронного строения 2р-подуровня молекулы кислорода и супероксидного анион-радикала

При протонировании О₂^. переходит в гидроперекисный радикал (НО₂^.). О₂^. имеет заряд и поэтому плохо мигрирует через мембраны в отличие от НО₂^.. О₂^. более реакционноспособное соединение, чем молекулярный кислород. Время жизни О₂^._ - 10 ^-6с, а радиус диффузии 0,3 мкм, тогда как t_ж для НО₂^. – 10^-3с, а радиус диффузии – 10 мкм.

Супероксид является довольно слабым окислителем и поэтому во многих биологических системах он может выступать в качестве донора электронов, восстанавливая ряд соединений. Так, реакции восстановления супероксидным анион-радикалом цитохрома с и нитросинего тетразолия широко используется для регистрации О₂ ^._ в биосистемах.

Реакции, в которые вступает О₂ ^._ , делятся на три группы:

1. 1. депротонирование субстрата (НХ)

О₂ ^._ + НХ  НО₂^. + х^-

2. 2. окисление:

х^- + О₂ ^._  х^. + О₂ ^2-

3. 3. восстановление

О₂ ^._ + х  О₂ + х^-

В клетках супероксидный анион-радикал образуется в результате многих биохимических реакций. Различают несколько путей образования О₂^._ в живых системах:

1. неферментативное спонтанное аутоокисление ряда химических соединений (тиолов, флавинов, хинонов, катехоламинов, птеринов, а также гемоглобина и миоглобина).

1. 1.1. Аутоокисление гемоглобина

Hb (Fe²⁺) + O₂  О₂^._ + MetHb (Fe³⁺)

Содержание метгемоглобина в эритроцитах не должно превышать 3 %, т.к. превышение этого уровня приводит к гемолизу. MetHb-редуктаза восстанавливает MetHb до Hb. Окисление гемоглобина ускоряется при введении ряда гемолитических ядов, лекарственных веществ.

2. 1.2. Аутоокисление катехоламинов

Дофамин + О₂ → дофамин-семихинон + О₂^._ + Н⁺

Дофамин + О₂^._ + 2Н⁺→ дофамин-семихинон + Н₂О₂

2. Окислительно-восстановительные процессы, катализируемые металлофлавопротеидами, а также электрон-транспортные цепи митохондрий и микросом

1. 2.1. Специализированной ферментной системой, образующей О₂^._ , является Ксантиноксидаза (КО; КФ 1.2.3.22).

В нормальных условиях фермент находится преимущественно в ксантиндегидрогеназной форме (КД; КФ 1.1.1.204; ксантин: НАДН-оксидоредуктаза) и может обратимо или необратимо переходить в оксидазную форму в результате соответственно окисления дисульфидных связей или ограниченного протеолиза. При ишемии органов наблюдается быстрая (в течение нескольких минут) конверсия КД в КО, что влечет за собой выработку О₂^._ и других АКМ.

Ксантин

дегидрогеназа

Ксантин

оксидаза (обратимая форма)

Рис. 2. Взаимопревращение изоформ ксантиноксидоредуктазы

КД  КО – это группа из двух близких по структуре Mo⁶⁺ и Fe²⁺-содержащих ферментов. Данные изоферменты локализованы в большинстве органов, обладают широкой субстратной специфичностью. Они окисляют пурины (через гипоксантин и ксантин до мочевой кислоты), пиримидины, адреналин, дегидрируют НАДН, НАДФН. Максимальная концентрация КД – КО наблюдается в гепатоцитах, тонком кишечнике, эпителиальных и эндотелиальных клетках. В мозге, сердце, легких скелетных мышцах, почках содержание изоферментов низко, немного имеется в биологических жидкостях.

Основная функция КД – КО – катаболизм пуринов, при этом КД в качестве акцептора электронов использует НАД⁺, а КО – молекулярный кислород:

АТФ → АДФ→ АМФ → аденозин → инозин → гипоксантин →

→ ксантин → мочевая кислота

О₂^.

Рис. 3. Механизм функционирования ксантиноксидоредуктазы

Ген КО локализован в 22 хромосоме у человека и в 17 хромосоме у мыши. Базальная экспрессия КО человека низка, но усиливается под действием цитокинов (ИФ-, ИЛ-1,6, ФНО-α), гормонов (кортизола, пролактина), липополисахарида при гипоксии и особенно – при ишемии.

КО – гомодимер, молекулярная масса субъединицы 150 кДа, а димера – 300 кДа. Каждая субъединица содержит 3 домена, связанные со специфическими кофакторами. N-концевой домен содержит два Fe₂S₂ центра, связанные с четырьмя остатками цистеина. Промежуточный домен содержит карман для ФАД, а с С-концевой домен имеет молибденовый кофактор в форме молибденоптерин Рис. 4. Схема функционирования КД – КО

Ксантин и гипоксантин окисляются на Мо-ферменте, где Мо⁶⁺ восстанавливается до Мо⁴⁺, затем электроны через Fe₂S₂ центры переносятся на ФАД, а с ФАД-фрагмента на НАД⁺ или О₂. Ингибиторами КО является аллопуринол, аллоксантин, фолиевая кислота.

Рис.5. Структура молибденового кофактора ксантиноксидазы