Токсические формы кислорода, их физиологическая роль и токсическое действие

Государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

Волгоградский Государственный Медицинский Университет

Министерства здравоохранения Российской Федерации

 

 

Кафедра теоретической биохимии с курсом клинической биохимии

 

 

 «Токсические формы кислорода, их физиологическая роль и токсическое действие»

 

           

Выполнил:

студент 2 курса 1 группы

фармацевтического факультета

Ермоленко Е.Ю.

Проверил:

старший преподаватель

Пилипко А.А.

 

 

Волгоград, 2014

 

Содержание

 

Введение…………………………………………………………………………..2

Супероксид-анион (радикал)…………………………………………………..4

H2O2 (перекись  водорода)………………………………………………………4

OH (гидроксил, гидроксид - радикалы.)……………………………………….5

Гипохлорит-анион……………………………………………………………….5

Механизмы возникновения АФК……………………………………………...6

Функции АФК…………………………………………………………………...10

Негативное воздействие АФК………………………………………………...11

Заключение……………………………………………………………………...18

Список используемой литературы…………………………………………...20

 

Введение

Мы не можем представить свою жизнь без кислорода. До появления фотосинтезирующих организмов атмосфера практически его не содержала. С их появлением кислород стал побочным продуктом их жизнедеятельности. Но сейчас, когда организмы, способные окислять органические соединения при помощи О2, получили преимущество, мы говорим что кислород - наша жизнь.

Однако вместе с преимуществом кислород принес новую опасность для организма. Молекулярный кислород, который обладает высокой реакционной способностью в основном состоянии, способен образовывать высокоактивные формы, способные убивать живую клетку.

В последние 10-15 лет проблема патогенеза заболеваний сердца, а также ряда других органов обогатилась раскрытием механизма повреждения клеточных структур. Основным фактором повреждения оказался кислород - тот самый кислород, из-за недостатка которого возникает гибель клеток. Выяснилось, что так называемые активные формы кислорода (АФК), имеющие неспаренный электрон, обладают биологическим эффектом, который в зависимости от концентрации АФК может быть регуляторным или токсическим. Соответственно пробудился интерес и к соединениям, которые в обычных условиях предотвращают токсическое действие АФК - антиоксидантам. Окислительный стресс играет важную, если не ключевую роль в патогенезе старения и широкого спектра сердечно-сосудистых заболеваний, в том числе кардиомиопатии, атеросклероза, ИБС, клапанных поражений и застойной сердечной недостаточности. Поэтому использование антиоксидантов для терапии и профилактике процесса старения и сердечных заболеваний выглядит вполне оправданным. В дальнейшем обзоре будут рассмотрены механизмы возникновения АФК, механизмы действия, функции и основные способы защиты организма.

Виды супероксидов.

Свободные радикалы - это молекулярные частицы, имеющие непарный электрон на внешней электронной оболочке и обладающие высокой реакционной способностью. Их изучение ведется методом ЭПР (спиновые ловушки), хемилюминесценции и путем применения ингибиторов реакций, в которых участвуют радикалы определенного типа. Основные радикалы, образующиеся в клетках - это радикалы кислорода (супероксид и гидроксильный радикал), монооксид азота, радикалы ненасыщенных жирных кислот, радикалы, образующиеся в окислительно-восстановительных реакциях (например, убихинол). Радикалы образуются также при действии ультрафиолетовых лучей и в ходе метаболизма некоторых чужеродных соединений (ксенобиотиков), в том числе некоторых препаратов, одно время применявшихся в качестве лекарств.

активная форма кислород антиоксидантный

 

Супероксид-анион (радикал)

Ключевой активной формой кислорода является супероксид анион - радикал (О2-), образующейся при присоединении одного электрона к молекуле кислорода в основном состоянии. Супероксид радикал сам по себе обладает малой реакционной способностью. Он может действовать как окислитель (акцептор электрона), как восстановитель (донор эелектрона). В водной среде может спонтанно дисмутировать (один атом может выступать в качестве акцептора эелектрона, а другой в качестве донора).

Время его жизни в биологических субстратах составляет около 10-6 с. Супероксид анион-радикал представляет опасность тем, что способен повреждать белки, содержащие железо-серные кластеры, такие как аконитаза, сукцинатдегидрогеназа и НАДН-убихинон оксидоредуктаза.

При кислых значениях рН супероксид анион-радикал может протонироваться с образованием более реакционноспособного пероксильного радикала (НО2.), представляющего собой слабую кислоту

H2O2 (перекись водорода)

Присоединение двух электронов к молекуле кислорода или одного электрона к супероксид-аниону приводит к образованию перекиси водорода, которая является окислителем умеренной силы. Однако из перекиси водорода может образовываться гидроксид-радикал (ОН.), который является весьма сильным окислителем. ОН радикал может образовываться при трехэлектронном восстановлении кислорода или при взаимодействии перекиси водорода с супероксид радикал - анионом - реакция Габера-Вейса. В процессе реакции генерируется OH (гидроксил-радикал) из H2O2 (пероксида водорода) и супероксида (O2−). Реакция может возникать в клетке и вызывать окислительный стресс. Реакция проходит довольно медленно, однако катализируется ионами железа. Первая стадия каталитического цикла включает восстановление Fe3+:

Fe3+ + O2− → Fe2+ + O2

Вторая стадия:

Fe2+ + H2O2 → Fe3+ + OH− + OH

Возникновение цепи:

OH− + H2O2 → OH + HO− + O2

В обычных условиях эта реакция протекает достаточно слабо. Токсичность перекиси водорода резко возрастает в присутствии металлов переменной валентности, что объясняется ускорением образования ОН. (Halliwell and Gutteridge)

OH (гидроксил, гидроксид - радикалы.)

Гидроксид-радикал практически не участвует в образовании других АФК, но является важным фактором окислительной модификации многих клеточных структур. Он может окислять молекулы белков и липидов, особенно активно атакуя мембранные липиды, которые содержат ненасыщенные двойные связи. Этот процесс приводит к образованию липидных гидроперекисей и изменению свойств клеточных мембран. Гидроксид-радикал вызывает разрыв связей в молекуле ДНК, что может вызывать глубокие повреждения генетического аппарата клеток. Константы скоростей его взаимодействия с большинством биологически важных молекул близки к диффузионным.

Вследствие высокой химической активности гидроксид-радикала, время его жизни в клетке составляет 100 нс, а расстояние, которое он может пройти от места образования до места взаимодействия с мишенью ~100 нм.

Гипохлорит-анион

Гипохлорит-анион (OCl-), представляющий собой активную форму хлора и условно относимый к АФК, так как он обладает сходными свойствами окислителя. В ходе миелопероксидазной реакции Н2О2 ферментативно превращается в гипохлорит-анион, который является мощным окислителем. Гипохлорит - анион опасен сам по себе, а также может взаимодействовать с О2. - с образованием гидроксид-радикала и с перекисью водорода с образованием синглетного кислорода/

Механизмы возникновения АФК

Молекулярный кислород в основном своем триплетном состоянии имеет два неспаренный электрона с одинаково ориентированными спинами, занимающих самостоятельные внешние орбитали. Каждая из этих орбиталей может принять ещё один электрон. Полное восстановление О2 в Н2О требует присоединения четырех электронов. В большинстве случаев в организме восстановление кислорода происходит поэтапно, с переносом одного электрона на каждом этапе.

При присоединении первого электрона образуется супероксидный анион 2О-, который имеет на внешней орбитали неспаренный электрон. Такие атомы называются свободными радикалами. Супероксид, получая ещё одни электрон превращается в пероксид водорода Н2О2, присоединение третьего приводит к образованию молекулы воды и гидроксильного радикал ОН. Четвертый электрон превращает гидроксил в воду.

Таков нормальный механизм обезвреживания кислорода, общий для всех процессов в организме. Но по некоторым причинам (о них речь пойдет ниже) может произойти сбой в этой системе (либо запуск определенной программы, такой как апоптоз), что приведет к нарушению присоединения электрона и как следствие появление свободный радикалов (АФК). По некоторым оценкам, даже в физиологически оптимальных условиях примерно 2-5 % проходящих по ЭТЦ электронов идут на образование супероксидных радикалов. Кроме того, в определенных условиях (например, при окислении пиридиннуклеотидов и полифенолов) при физиологическом значении рН некоторые апопластные пероксидазы, проявляя свою оксидазную функцию, способны к образованию супероксидного анион-радикала. Установлено, что пероксидаза клеточной поверхности является одним из основных источников супероксидного радикала при отсечении корней от проростков пшеницы.

Интересно сравнеие образования свободных форм кислорода у клетках растений и животных. Поскольку растения неподвижны и находятся под постоянным воздействием меняющихся условий среды, а также осуществляют оксигенный фотосинтез, в их тканях концентрация молекулярного кислорода оказывается намного более высокой, чем у других эукариот. Показано, что концентрация кислорода в митохондриях млекопитающих достигает 0,1 мкМ, в то время как в митохондриях растительных клеток - более 250 мкМ. При этом, по оценкам исследователей, примерно 1 % поглощаемого растениями кислорода преобразуется в его активные формы, что неизбежно связано с неполным пошаговым восстановлением молекулярного кислорода.

Синглетный кислород (1О2) образуется в хлоропластах в результате взаимодействия молекулярного кислорода с хлорофиллом, возбужденным квантом света и находящимся в триплетном состоянии. Энергия, необходимая для этого перехода, составляет примерно 22 ккал/моль. В результате поглощения избыточной энергии (что часто имеет место в реальных условиях) происходит обращение спина одного электрона и формирование синглетного кислорода. Образование супероксидного анион-радикала (О2-) происходит в фотосистеме I (ФС I) и II (ФС II) хлоропластов и на комплексах дыхательной цепи в митохондриях, а также в ряде реакций, протекающих в пероксисомах (при окислении ксантина ксантиноксидазой). В ФС I появление супероксидного радикала происходит в реакции Мёллера и связано с работой 4Fe-4S-кластеров, ферредоксина и/или ферредоксин-НАДФН-редуктазы. Около 10-25% всего нециклического электронного потока может идти на образование супероксид-радикала. Генерация анион-радикала, кроме того, возможна на уровне реакционного центра ФС II, предположительно в QА и QВ сайтах. В митохондриях образование О2 - сопряжено с функционированием дыхательной электрон-транспортной цепи (ЭТЦ) во внутренней митохондриальной мембране и захватом молекулярным кислородом электронов с гемов.

Существует ещё несколько механизмов возникновения свободных радикалов. Например, в процессе функционирования цитохрома Р-450 в микросомах образуется такой тип АФК как перекись водорода. Принято считать, что ее образование связано с тем, что в процессе цитохром Р-450-зависимого окислительного цикла образующийся тройственный комплекс, включающий цитохром Р-450, субстрат и ион супероксида (оксицитохром Р-450), может, помимо основного пути превращения - внедрения кислорода в структуру субстрата, - распадаться с образованием исходного комплекса субстрат-цитохром Р-450 и высвобождением супероксида (процесс "разобщения") с последующей его дисмутацией, с образованием перекиси водорода. В присутствии ионов железа перекись водорода в результате одноэлектронного переноса может восстанавливаться до гидроксил-радикала - сильнейшего окислителя. Показано также, что высвобождение железа из ферритина - белка, являющегося основным депо железа в клетке, происходит в результате образования супероксида при функционировании цитохрома Р-450

Таким образом, супероксид, образующийся при "разобщении" на цитохроме Р-450, может быть источником перекиси водорода и генератором ионов железа из ферритина-компонентов, необходимых для образования различных активных форм кислорода. Действительно, образование супероксида, перекиси водорода и гидроксил радикала показано в реконструированных ферментных системах с использованием различных изоформ цитохрома Р-450.

Кроме того АФК в организме могут образовываться и ходе реакций самопроизвольного окисления ряда веществ. Одним из важнейших примеров является окисление гемоглобина в метгемоглобин, при котором образуется супероксид. При нормальном значении ph и концентрации кислорода стабильной формой железа является Fe3+. Ион Fe2+ легко окисляется в Fe3+. Однако в молекуле гемоглобина эта реакция существенно заторможена благодаря белковой части в окружении гема. И все же с большей скоростью происходит окисление оксигемоглобина кислородом с образованием метгемоглобина.

Hb (Fe2+) O2=Hb (Fe3+) +O2-

Образующийся супероксид кислорода способен окислять оксигемоглобин.

Hb (Fe2+) O2+O2 - + 2H+= Hb (Fe3+) +O2+ H2O2

Пероксид водорода - тоже окислитель оксигемоглобина.

Hb (Fe2+) O2+H2O2= Hb (Fe3+) +OHрадикал+OH-

Гидроксильный радикал окисляет гемоглобин.

Hb (Fe2+) +OH= Hb (Fe3+)

Но тем не менее, общепринято, что дыхательная цепь митохондрий является основным источником АФК в большинстве клеток. Вместе с тем представляет интерес выяснение, какие именно компоненты дыхательной цепи и в каких условиях являются основными АФК - генераторами. Исходя из стандартных редокс-потенциалов окислительно-восстановительных центров различных Комплексов дыхательной цепи, а также на основе экспериментальных данных были выделены три основных источника АФК: НАДН - убихинон оксидоредуктаза, сукцинат-убихинон оксидоредуктаза и убихинол-цитохром с оксидо-редуктаза.

Не существует единого мнения по поводу того, в каких именно участках дыхательной цепи происходит образование АФК и каков вклад каждого из них в этот процесс. Теоретически одноэлектронное восстановление кислорода может происходить в любом из редокс-центров Комплекса I, а также в высокопотенциальных редокс-центрах Комплексов 2 и 3. По мнению большинства исследователей, основным АФК-генератором в дыхательной цепи является Комплекс I. Однако ряд авторов полагает, что Комплекс III вносит по крайней мере такой же вклад в образование АФК. Существует также мнение, что заметным источником АФК может служить также Комплекс II. На сегодняшний день признается, что все три комплекса образуют АФК.

 

Функции АФК

В тканях аэробных организмов в процессе метаболизма постоянно образуются продукты неполного восстановления кислорода. Активные формы кислорода и радикалы синтез в организме, выполняют не только вредные, но и множество полезных для клетки функций. Так, образование супероксид-аниона и гипохлорита клетками иммунной системы используется организмом при защите от инфекций и других чужеродных факторов. Для некоторых тканей, в частности, для мозга, характерен повышенный синтез простагландинов, тромбоксанов и лейкотриенов. Этот процесс требует участия супероксид-аниона, взаимодействующего с другим компонентом этой системы, арахидоновой кислотой - соединением, высвобождающимся из мембранных фосфолипидов в ходе индуцируемого АФК перекисного окисления липидов.