Слесарев. Основы Химии живого

Увеличение восстановительного потенциала

Рис. 9.3. Схема электронотранспортной цепи дегидрогеназного окисления-восстановления в митохондриях

пространство протоны вследствие возникшего протонного по­ тенциала vj/(H+) снова устремляются в матрикс, но через канал ансамбля ферментов АТФ-синтазы (рис. 9.3). Это происходит только в случае целостности внутренней мембраны. Во время возвращения протонов в матрикс по каналу АТФ-синтазы про­ тонный потенциал уменьшается, энергия выделяется, и за счет нее происходит синтез АТФ:

На каждую пару электронов, переданных по ЭТЦ, синтезиру­ ются три молекулы АТФ, что свидетельствует о достаточно высо­ ком КПД процесса окислительного фосфорилирования (« 40 %). Остальная выделяющаяся при окислении энергия частично рас­ ходуется на перенос протонов против градиента концентрации, а в основном рассеивается в виде теплоты, необходимой для орга­ низма. Энергоснабжение организма человека на 99 % обеспечива­ ется протеканием в нем окислительно-восстановительных реакций. Суммарно процесс окислительного фосфорилирования, описываю­ щий аэробное дыхание, на примере полного окисления одной мо­ лекулы глюкозы позволяет синтезировать 38 молекул АТФ:

С в Н 12 О в + 6 0 2 + ( 3 8 А Д Ф + 3 8 Ф ) — ► 6 С 0 2 + 6 Н 20 + ( 3 8 А Т Ф )

Интересно, что реакция окисления глюкозы может протекать и в обратном направлении, что и происходит при фотосинтезе у растений, где имеет место процесс фотофосфорилирования.

9 .3 .7 . Ф ОТОФ ОСФ ОРИЛИРОВДНИЕ

В отличие от животных, для растений характерен процесс фо­ тосинтеза:

I ♦

в-ль ок-ль

Втаком виде уравнение показывает, что в процессе фото­ синтеза вода не только используется, но и образуется, причем

ееатомы кислорода являются восстановителем, а атомы угле­ рода в СО2 - окислителем. Фотосинтез осуществляется в хлоропластах в два этапа (световой и темновой; рис. 9.4).

С в е т о в о й этап заключается в дегидрировании молекулы воды, находящейся в тилакоиде, под действием Мп-содержащего цитохрома, входящего в состав ЭТЦ. В состав этой ЭТЦ помимо различных оксидоредуктаз входят светопоглощающие пигменты хлорофиллов, которые в ассоциате с определенными белками составляют основу двух фотосистем PQSO и ^700* За счет погло­ щения световой энергии фотосистемы переходят в возбужденное состояние Р<380 и 1*700Одновременно резко повышается энергия электронов (Аф *1,2 В), поступивших к ним от атома кислоро­ да молекулы воды и передаваемых по ЭТЦ к окисленной форме

232

Рис. 9.4. Схема фотофосфорилирования (световой этап фотосинтеза) и изменения восстановительного потенциала ЭТЦ хлоропластов

кофермента НАДФ+, которая переходит в восстановленную фор­ му НАДФ(Н).

Перенос электронов по ЭТЦ сопровождается движением про­ тонов из стромы хлоропластов в тилакоид сквозь его мембрану, создающим на ней трансмембранный протонный потенциал i|/(H+). Благодаря протонному потенциалу через канал АТФ-синтазы про тоны самопроизвольно возвращаются в строму, обеспечивая син­ тез АТФ и АДФ. Таким образом, на световом этапе фотосинтеза (фотофосфорилирование) в результате дегидрогеназного окисления воды и поглощения света образуются два богатых энергией веще­ ства НАДФ(Н) и АТФ. Причем число образующихся молекул

233

НАДФ(Н) и АТФ полностью соответствует потребности эндэргонических реакций, протекающих на темновом этапе фотосинтеза. Эффективность преобразования энергии в процессе фотофосфорилирования составляет около 39 %.

Т е м н о в о й этап ф о т о с и н т е з а протекает в строме хлоропластов. Полученные на световом этапе АТФ и НАДФ(Н) используются в эндэргоническом поэтапном восстановлении СС>2 с образованием глюкозы и воды при участии ансамбля фермен­ тов, содержащего НАДФ(Н). В целом процесс фотосинтеза от­ ражает следующая совокупность сопряженных реакций:

Темновой этап 6002 + 12НАДФ(Н) + 12Н+----- CqHtjOfr+ 6 Н/) + 12НАДФ*~

ISHJO + «CO, ■= ^ 5 Г С ,н 1го , + во2 + бн8о

Благодаря фотосинтезу решаются проблемы не только обмена веществ в растениях, но и дыхания и питания всего животного мира. Ежегодно на Земле за счет этого процесса утилизируется 3,43 •101 1 т СО2 , выделяется 2,5 •101 1 т кислорода и образуется 2,3 •Ю1 1 т углеводов. Причем 90 % этих количеств получается в водах океана, а 1 0 % - на суше.

9 .3 .8 . ОКСИГЕНАЗНОЕ ОКИ СЛЕНИЕ-ВО ССТАНО ВЛЕНИЕ

Оксигеназное окисление субстрата кислородом совершается в клетке при участии ферментов монооксигеназ и диоксигеназ. Его особенность заключается в том, что оно совершается без сопря­ жения с синтезом АТФ, а его главная задача - окислить субстрат (обычно с целью детоксикации последнего). Особенно это относит­ ся к чужеродным субстратам не природного происхождения на­ зываемым ксенобиотиками. Детоксикация эндогенных и экзо­ генных субстратов за счет их окисления кислородом заключается

впревращении их из гидрофобных в более гидрофильные соеди­ нения, которые не накапливаются в клетках, а могут переходить

вводную фазу и удаляться из клетки вместе с ней. Монооксигеназное окисление субстрата (гидроксилирование)

осуществляется с помощью ансамбля ферментов, который локали­ зован в эндоплазматических мембранах клеток печени и надпо­ чечников, и поэтому оно часто называется микросомалъным окис­ лением. Ансамбль ферментов содержит цитохром Р-450 с катио­ ном железа (Fe3+ Fe2+) в активном центре, где начинается окисление субстрата и циклическую ЭТЦ с ответвлением. Крайним компонентом ответвления этой цепи является оксидоредуктаза с коферментом в восстановленной форме, обычно НАДФ(Н). Из-за взаи­ модействия цитохрома Р-450 с субстратом и кислородом происходит их активация и окисление не только субстрата, но и НАДФ(Н) ан-

234

Рис. 9.5. Схема гидроксилирования субстрата с помощью цитохрома Р-450

самбля ферментов. Благодаря этому цитохром Р-450 отдает молеку­ ле кислорода четыре электрона. В результате один из атомов молеку­ лы кислорода внедряется по связи С—Н молекулы окисляемого суб­ страта, а другой - восстанавливается с образованием воды (рис. 9.5).

Одна из главных особенностей цитохрома Р-450 - это спо­ собность его белка изменять свою конформацию в ответ на по­ явление в организме того или иного субстрата (ксенобиотика), обеспечивая тем самым эффективное взаимодействие с ним. За счет такой приспособляемости цитохром Р-450 является уни­ версальным ферментом детоксикации, способным взаимодейст­ вовать почти с любыми соединениями, содержащими гидрофоб­ ные фрагменты и трансформировать их в результате реакций окисления-восстановления в более гидрофильные. По сути дела, цитохром Р-450 способен защищать живые организмы не толь­ ко от многих уже синтезированных токсичных веществ, но и от тех, которые могут быть получены в будущем. Вследствие из­ меняемости белкового фрагмента цитохрома Р-450 его окисли­ тельно-восстановительные свойства тоже изменяются, о чем свидетельствует большой интервал значений его восстанови­ тельного потенциала (фб в -0,41 -5- -0,17 В).

Гидроксилированию подвергаются алифатические предель­ ные и непредельные углеводороды, соединения с алкильными заместителями, ненасыщенные жирные кислоты, циклические предельные, ароматические и гетероароматические соединения, стероиды, желчные кислоты, холестерин. Например, гидроксилирование алифатического заместителя в пентобарбитале:

Гидроксилирование бензольного кольца в фенобарбитале:

235

Гидроксилирование алкильных групп, связанных с атомами N, О, S, из-за неустойчивости получаемых при этом продуктов при­ водит к деалкилированию этих соединений:

По этой же причине гидроксилирование некоторых аминов приводит к их дезаминированию с образованием кетонов:

Универсальность ферментативного ансамбля цитохрома Р-450 проявляется еще и в том, что кроме гидроксилирования он осу­ ществляет за счет НАДФ(Н) восстановление нитросоединений, азокрасителей, галогенсодержащих соединений.

Именно за счет ансамбля ферментов цитохрома Р-450 пе­ чень выполняет одну из своих главных функций - детоксикационную.

Диоксигеназное окисление субстрата осуществляется ансамб­ лем ферментов на основе диоксигеназ, содержащих два катиона железа, которые активируя молекулу кислорода способствуют введению в молекулу субстрата двух атомов кислорода. Меха­ низм диоксигеназного окисления еще не установлен, но извест­ но, что с помощью диоксигеназ окисляются даже ароматиче­ ские соединения с раскрытием бензольного кольца:

диоксигеназа _ Г с о о н

^ 4 >н ------------------ --

пирокатехин

Все окислительно-восстановительные реакции, аналогичные рассмотренным, протекают в организме при участии соответст­ вующих ферментов и поэтому являются управляемыми и строго контролируемыми процессами. Кроме них в организме идут ре­ акции свободнорадикального окисления, ход которых контро­ лируется опосредованно и в узких пределах.

9 .3 .9 . СВОБОДНОРАДИКАЛЬНОЕ ОКИСЛЕНИЕ И АНТИОКСИДАНТНАЯ СИСТЕМ А ОРГАНИЗМА

Одна из особенностей окислительно-восстановительных ре­ акций - возможность их протекания как по гетеролитическому механизму, когда реагирующими частицами являются электро­ фил (окислитель) и нуклеофил (восстановитель), так и по гомо-

236

2[ProtFei 'r] + 0 2 + 2HT — ► 2[ProtFe3+] + H20 2

При радиационном воздействии на организм его вода подвер­ гается радиолизу. При радиолизе воды ее молекула распадается с

образованием различных радикальных частиц в зависимости от энергии облучения. При небольшой энергии облучения (£i) мо­ лекула воды, переходя в возбужденное состояние Н2О*, затем

распадается на два радикала Н* и *ОН. Эти активные частицы могут образовывать другие активные формы кислорода.

При большой энергии облучения (Е%) происходит настолько

сильное возбуждение молекулы воды, что она распадается на быстрый электрон и катион-радикал воды (^О^). Быстрый элек­ трон через 1 0 " 11 с подвергается гидратации, попадая в микропо­

лости водных ассоциатов (разд. 6.1). Он может взаимодействовать дальше с образованием новых радикальных частиц (например, 0 £).

Катион-радикал воды, взаимодействуя с молекулой воды, образует гидроксидный радикал ЮН и гидроксоний-ион НзО+. Таким обра­ зом, в результате радиолиза воды в организме происходит увели­ чение кислотности (закисление) среды (ацидоз - разд. 8.5) и обра­ зуются активные формы кислорода. При энергии облучения около 100 эВ и при комнатной температуре при взаимодействии с одним квантом распадается от 6 до 8 молекул Н2О. Возникающие при

радиолизе атомарный водород Н- и гидратированный электрон яв­ ляются чрезвычайно активными частицами с сильными восстано­ вительными свойствами. Благодаря этому они легче взаимодейст­ вуют с кислородом, образуя его активные формы. Возрастание концентрации свободных радикалов способствует процессам сво­ боднорадикального окисления-восстановления.

Образовавшиеся радикальные частицы эффективно атакуют биосубстрат прежде всего по пространственно доступным и малополярным связям С—Н. Возникающая при этом радикальная частица, в которой неспаренный электрон находится у атома углерода субстрата, дальше легко окисляется активными фор­ мами кислорода вплоть до разрыва связей С—С, что приводит к глубокой деструкции молекул биосубстрата. По такой схеме происходит так называемое пероксидное окисление липидов.

Активные формы кислорода, прежде всего радикал ОН, эф­ фективно атакуют связи С—Н, особенно в аллильном положении у ненасыщенных жирных кислот, так как при этом образуется аллил-радикал, стабилизированный за счет взаимодействия не­ спаренного электрона с л-электронами соседней двойной связи:

R—СН2—CH=CHR' + НО- —► R—СН—CH=CHR' + Н20

238

Таким образом происходит зарождение цепи (разд. 5.4), т. е. I этап свободнорадикального окисления. Развитие цепи (II этап) включает окисление аллил-радикалов молекулярным кислоро­ дом с возникновением алкилпероксидных радикалов:

R—СН—CH=CHR' + 0 2 —► R—СН—CH=CHR'

О—О

При взаимодействии этих радикалов с молекулами воды об­ разуются неустойчивые гидропероксиды и снова возникают ак­ тивные гидроксидные радикалы. Накопление радикалов в систе­ ме способствует дальнейшему развитию цепи окисления и резко­ му возрастанию скорости процесса.

R—4jJH—CH==CHR' + Н20 —► R-<j;H—CH=CHR' +Н0-

Обрыв цепи (III этап) происходит, когда радикалы взаимо­ действуют, не образуя новых радикалов. Например, при столк­ новении гидропероксида с супероксидным анион-радикалом про­ исходит его окисление с разрывом связей С—С и образованием двух карбоновых кислот:

R—СН—CH^CHR' + *02 —► RCOOH + R'CH2COOH

О—ОН

Скорость свободнорадикального окисления определяется концен­ трацией радикалов и практически не регулируется организмом.

При экстремальных и патогенных воздействиях на организм образование кислородных радикалов в клетках и тканях резко усиливается, так как интенсифицируются окислительное фосфорилирование и гидроксилирование ксенобиотиков. Происходящее при этом с участием различных цитохромов окисление может спо­ собствовать появлению в организме активных форм кислорода и тем самым - свободнорадикальному окислению. Усиление свобод­ норадикального окисления вызывают разнообразные физические факторы: радиоактивное, ультрафиолетовое и лазерное излуче­ ние, шум, вибрация, а также различные болезни: простудные и легочные заболевания, атеросклероз, инфаркт миокарда, инсульт мозга, остеохондроз, диабет, язва желудка, туберкулез, злокаче­ ственные образования. Возможно, что свободнорадикальное окис­ ление в перечисленных случаях является не только следствием этих болезней, но и одной из причин их возникновения.

В организме свободнорадикальное окисление сдерживается многокомпонентной антиоксидантной буферной системой, кото­ рая, превращая радикалы в малоактивные соединения, преры­ вает цепные реакции. Эти функции осуществляют:

-антиоксидантные и антиперекисные ферменты: супероксиддисмутаза, каталаза, глутатионпероксидаза;

-антиоксиданты - органические соединения с выраженными восстановительными свойствами: различные тиолы (глутатион, цис-

239

теин, дегидролипоат), аскорбиновая кислота (витамин С), Р-каро- тин, а также витамины Е (токоферол), К, Р и стероидные гормоны.

Ферментные защитные средства. Аэробные клетки защищают себя от вредного воздействия супероксидного анион-радикала Ю2 с

помощью ферментов супероксиддисмутаз, содержащих катионы меди (Cu2+ + е“ Си+) или марганца (Mir*+ + е“ Мп2+), которые катализируют превращения супероксидного анион-ради- кала в пероксид водорода:

Снижение концентрации токсичного пероксида водорода в клет­ ках осуществляется с помощью ферментов каталазы и глутатионпероксидазы. Каталаза - железосодержащий фермент - эффектив­ но способствует распаду пероксида водорода на воду и кислород:

Глутатионпероксидаза катализирует взаимодействие пероксида водорода и гидропероксидных радикалов с довольно сильным вос­ становителем глутатионом (G-4SH), являющимся трипептидом, содержащим тиольную группу аминокислоты цистеина:

2G— S H + Н 20 2 глУтати<шдероксидааа^ Q_ s _ s _ <j + ^

Регенерация глутатиона осуществляется восстановлением с помощью НАДФ(Н):

G—S—S—G + НАДФ(Н) + Н+ —► 2G—SH + НАДФ+

Антиоксиданты. Все антиоксиданты, взаимодействуя с актив­ ными формами кислорода, прерывают свободнорадикальное окис­ ление и переходят в окисленные формы, которые под действием соответствующих ферментов опять превращаются в восстанов­ ленные формы.

Антиоксиданты - вещества, обратимо реагирующие со «свободными радикалами и окислителями и предохраняю­

щие от их воздействия жизненно важные метаболиты.

Эффективными антиоксидантами являются тиолы R—SH, т. е. соединения, содержащие тиольную группу, которая за счет атома серы со степенью окисления - 2 легко окисляется, обра­

зуя дисульфиды R—S—S—R (тиол-дисульфидная система):

За счет сильных восстановительных свойств тиолы (табл. 9.2) являются эффективными ловушками радикалов, и поэтому на их основе созданы радиопротекторы - средства, защищающие орга­ низм от радиации, например синтетические препараты унитиол (2,3-димеркаптопропансульфонат натрия) и N-ацетилцистеин.

240