Активные формы кислорода (АФК) и система антиоксидантной защиты

Кислород – потенциально опасное вещество. Основной путь метаболизма O₂ сопровождается 4х-электронным восстановлением и образованием воды.  Молекулярный кислород О₂ и кислород в составе молекулы Н₂О - стабильные соединения, химически инертные. Они стабильны, потому что внешняя электронная орбита укомплектована электронами. Полное восстановление кислорода происходит на заключительной стадии МтО.

Химические соединения, в составе которых кислород имеет промежуточную степень окисления, имеют высокую реакционную способность и называются АКТИВНЫМИ ФОРМАМИ КИСЛОРОДА (АФК).

      Эти соединения образуются:

а) в монооксигеназных реакциях - супероксид-анион, который может отщепляться от активного центра цитохрома Р₄₅₀.

б) в оксидазных реакциях - образуется пероксидный анион (присоединяя протоны, превращается в перекись водорода).

в) в дыхательной цепи МтО может происходить утечка электронов от каких-либо переносчиков - это явление наблюдается при реоксигенации ишемических тканей.

г) активные формы кислорода могут легко переходить друг в друга. Примеры таких переходов изображены на рисунках.

Донорами электронов могут являться металлы переменной валентности, которые сами содержат неспаренные электроны (Cu⁺, Fe²⁺, Co²⁺, Mn²⁺, V²⁺, Cr⁴⁺).

Наиболее химически активным соединением является гидроксильный радикал - сильнейший окислитель. Время его жизни очень короткое (1 миллиардная доля секунды), но за это время он мгновенно вступает в цепные окислительные реакции в месте своего образования.

      Супероксиданион и перекись водорода - более стабильные вещества, могут диффундировать от места образования, проникать через мембраны клеток.

      Гидроксильный радикал может вызывать неферментативное окисление аминокислотных остатков в белке (гистидина, цистеина, триптофана) - так могут инактивироваться многие ферменты, нарушается работа транспортных белков, происходит нарушение структуры азотистых оснований в нуклеиновых кислотах - страдает генетический аппарат клеток. Окисляются жирные кислоты в составе липидов клеточных мембран - нарушаются физико-химические свойства мембран - проницаемость, рецепторная функция, работа мембранных белков.  

      Особенностью реакций с участием гидроксильных радикалов является их цепной характер (гидроксильный радикал не исчезает, а передается).

К АФК также относятся:

- Гипогалоиды (HOCl, HOBr, HOJ);

- Алкдиоксильный радикал (RO₂^•

      Активные формы кислорода опасны для клетки, поэтому существуют защитные механизмы (например, в фагоцитах количество образовавшейся перекиси водорода увеличивается только в момент фагоцитоза). Инактивация активных форм кислорода в клетках происходит под действием АНТИОКСИДАНТНОЙ СИСТЕМЫ.

АНТИОКСИДАНТНАЯ СИСТЕМА.

1. ФЕРМЕНТАТИВНАЯ

      a) КАТАЛАЗА - геминовый фермент, содержащий Fe³⁺, катализирует реакцию разрушения перекиси водорода. При этом образуется вода и молекулярный кислород.

2Н₂О₂ ------> H₂O + O₂

Каталазы много в эритроцитах - там она защищает гем гемоглобина от окисления.

б) СУПЕРОКСИДДИСМУТАЗА (СОД) катализирует реакцию обезвреживания двух молекул супероксиданиона, превращая одну из них в молекулярный кислород, а другую - в перекись водорода (менее сильный окислитель, чем супероксиданион).

О₂^. + О₂^.+ 2Н⁺ ------> H₂O₂ + O₂

СОД работает в паре с каталазой и содержится во всех тканях.

в) ПЕРОКСИДАЗА.

      Пероксидаза - геминовый фермент, восстанавливает перекись водорода до воды, но при этом обязательно идет окисление другого вещества, которое является восстановителем. В организме человека таким веществом является ГЛУТАТИОН - трипептид: гамма-глутамил-цистеил-глицин. Поэтому пероксидазу человеческого организма называют ГЛУТАТИОНПЕРОКСИДАЗА.

SH-группа цистеина, входящего в состав глутатиона, может отдавать всего 1 атом водорода, а для пероксидазной реакции необходимы 2 атома. Поэтому молекулы глутатиона работают парами.

      Реакция, катализируемая глутатионпероксидазой:

 2Н₂О₂  + 2Г-SH ------> H₂O + Г-S-S-Г

Регенерация глутатиона идёт с участием НАДФН₂, катализирует ее фермент глутатионредуктаза.

Г-S-S-Г + НАДФН₂ ---------> 2Г-SH + НАДФ

Глутатион постоянно поддерживается в восстановленном состоянии в эритроцитах, где он служит для защиты гема гемоглобина от окисления.

2. НЕФЕРМЕНТАТИВНЫЕ КОМПОНЕНТЫ АНТИОКСИДАНТНОЙ СИСТЕМЫ

      1. Витамины Е (токоферол) и А (ретинол), которые находятся в составе клеточных мембран.

      2. Церулоплазмин - белок плазмы крови, который принимает участие в транспорте меди.

      3. Мочевая кислота.

      Механизм действия этих компонентов: они принимают неспаренные электроны от активных форм кислорода, при этом образуется радикал антиоксиданта, который малоактивен. Таким образом неферментативные компоненты антиоксидантной системы - это перехватчики неспаренных электронов.