Медикобиологический факультет Кафедра биохимии и молекулярной биологии с курсом клд зав кафедрой д м. н, профессор Серебров В. Ю. Перекисное окисление липидов

метки: Окисление, Перекисный, Ребенок, Радикал, Реакция, Кислота, Образование, Образоваться

Введение

Изучение структуры и функции мембран в норме и при патологии существенно расширяет наши представления о механизмах возникновения и развития патологических процессов на уровне клетки и целого организма. Одним из мощных факторов, повреждающих клеточные мембраны, является образование свободных радикалов, вызывающих в клетке неконтролируемые реакции. В небольших количествах свободные радикалы всегда присутствуют в клетке. Однако при воздействии ультрафиолетового или ионизирующих излучений, количество свободных радикалов в клетке существенно возрастает. Наиболее интенсивно свободные радикалы образуются при аутоокислении ненасыщенных жирных кислот в процессе перекисного окисления липидов (ПОЛ).

Перекисное окисление липидов является альтернативным процессу биологического окисления. При биологическом окислении кислород присоединяется к атомам водорода лишь в заключительной цепи реакций, происходящих в митохондриях. Как промежуточные, так и конечные продукты биологического окисления, не токсичны. При перекисном окислении образуются продукты аутоокисления: свободные радикалы, перекиси, альдегиды, обладающие чрезвычайной токсичностью для клетки.

Особенно подвержены перекисному окислению ненасыщенные жирные кислоты фосфолипидов мембран. Атом водорода, расположенный у них рядом с двойной связью, очень непрочно связан с соответствующим атомом углерода. Такой атом углерода называют α-метиленовым, а его водород – аллильным. Например, в линолевой кислоте, имеющей две двойные связи, α-метиленовыми будут атомы углерода в 8 и 11 положениях.

Аллильный водород очень быстро переходит к окислителю, в результате чего возникает алкильный радикал , который затем превращается в гидроперекись:

Таким образом, гидроперокси – группа присоединяется к α-метиленовому углероду жирных кислот. Это и вызывает цепочку реакций, изменяющих структуру, а затем и функции мембран.

1. Свободные радикалы

   3 стр., 1175 слов

   Индукторы и ингибиторы микросомального окисления

   ... - дисульфирам, ритонавир Заключение Микросомальное окисление - важнейший метаболический процесс, ... клетке определяется его антиоксидантными свойствами. Фактически глутатион не только защищает клетку от токсичных свободных радикалов, ... у животных, которым вводили индуктор фенобарбитал, увеличивается площадь мембран эндоплазматического ретикула, которая достигает 90% всех мембранных структур клетки, ...

Свободный радикал может образоваться при отщеплении от молекулы одного атома иди группы атомов. У молекулы появляется неспаренный электрон на внешней (валентной) атомной орбите. Наличие неспаренного электрона обусловливает высокую активность свободного радикала, который, вступая в химические реакции, приобретает недостающий электрон. Свободный радикал с одним неспаренным электроном называется монорадикалом, а с двумя – бирадикалом. Радикал может нести избыточный электрический заряд, и тогда его называют ион-радикалом. В основном, свободные радикалы являются неустойчивыми, они могут существовать сотые доли секунды (метил-, гидроксил- радикалы), есть относительно устойчивые радикалы, для которых характерно наличие в составе молекулы ароматических колец. Нестабильность радикалов обусловлена: 1) их высокой способностью к рекомбинации друг с другом; 2) их большой реакционной способностью по отношению к многим нейтральным молекулам. При этом протекают химические реакции замещения, рекомбинации, присоединения, полимеризации и др.

В биологических системах можно выделить несколько типов свободных радикалов. Одни из них образуются в качестве нормальных продуктов обмена веществ, например, образование эндоперекисей при аутоокислении холестерола. Другие возникают при измененных условиях жизнедеятельности, к ним относятся свободные радикалы воды и органических молекул , образующиеся при действии на клетку ионизирующих излучений, различных токсических веществ.

Комиссия по номенклатуре радикалов в 1990 г предложила следующие названия радикалов:

Формула	Структура	Название
О 2 ˙	[ ˙ OO]	Синглетный кислород
O 2	[ ˙ OO˙ ]	Диоксиген
O 2 ˙ —	[ ˙ OO— ]	Диоксид (супероксид)
O 3		Триоксген
H	—	Алкил
HO ˙	—	Гидроксил
HO 2 ˙	[HOO ˙ ]	Гидродиоксид
H 2 O2	—	Перекись водорода
RO ˙	—	Алкоксил
RO 2 ˙	[ROO ˙ ]	Алкилдиоксил
ROOH	—	Алкилгидропероксил

Для образования свободных радикалов существенное значение имеют так называемые активные формы кислорода (АФК).

Под АФК понимают продукты восстановления кислорода, образующиеся при окислительно-восстановительных процессах в организме. К ним относятся синглетный кислород, супероксидный радикал и свободные радикалы, образующиеся при взаимодействии кислорода с водородом. Свыше 5% потребляемого кислорода восстанавливается в супероксид-анион, а около 10% О ₂ превращается в H₂ O₂ .

Обычный молекулярный кислород находится в триплетном состоянии, его обозначают О=О. Молекула О ₂ содержит 2 неспаренных электрона, одновременно принадлежащих двум её атомам и имеющих одинаково направленные параллельные спины, что придает молекулярному кислороду парамагнитные свойства.

Молекула кислорода является достаточно стабильной и этому свойству она обязана именно своим двум неспаренным электронам.

Синглетный кислород образуется при переходе электрона внутри молекулы между внешними орбиталями и в связи с этим обладает дополнительной энергией, его обозначают как радикал О˙–О. Электронно-возбужденное синглетное состояние кислорода не содержит неспаренных параллельных электронов и является гораздо более реакционно-способным, чем основное состояние. Одноэлектронное образование синглетного кислорода является одним из путей восстановления кислорода, с которым связано образование свободнорадикального продукта. При одноэлектронном восстановлении в качестве промежуточных продуктов могут возникать супероксид O ₂ ˙^– , перекись водорода Н₂ О₂ и гидроксильный радикал ^• OH. Для полного восстановления О₂ необходимо 4 электрона.

Супероксидный анион представляет собой отрицательно заряженный свободный радикал O ₂ ˙^– . Считается, что супероксид-анион дает ограниченный токсический эффект. ˙ОН – монорадикал, образуется при взаимодействии с водородом. Эти продукты также очень реакционноспособны и их присутствие может представлять угрозу для целостности живых систем.

На самом деле, ˙ОН – наиболее мутагенный продукт ионизирующей радиации – представляет собой чрезвычайно мощный окислитель, который может атаковать все органические соединения. Гидроксильный радикал с высокой скоростью реагирует практически со всеми молекулами клетки, включая ДНК, белки, липиды, углеводы. Чувствительными к действию радикалов ˙ОН и O ₂ ˙^– являются сукцинатдегидрогеназа, цитохромоксидаза, ксантиноксидаза.

Свободные радикалы обладают высокой химической активностью и взаимодействуя с молекулами , могут превращать их также в свободные радикалы. Монорадикал ˙ОН, реагируя с водородом дает атом-радикал Н˙ и образуется вода:

Н ₂ + ˙ОН = Н₂ О + Н˙;

с оксидом углерода монорадикал ˙ОН дает СО ₂ и также атом-радикал водорода:

СО + ˙ОН = СО ₂ + Н˙

Взаимодействуя с белками, АФК снижают содержание отдельных пептидов, образуют продукты белковой интеграции и липопротеиновые комплексы. В пределах клеточной мембраны особенно подвержены взаимодействию со свободными радикалами ненасыщенные жирные кислоты и алифатические спирты (сфингозин), ненасыщенные углеводороды (сквален, каротины), ненасыщенные стерины. Наличие в структуре мембран многих ненасыщенных соединений способствует их легкому окислению. Перекисному окислению также подвергаются ароматические аминокислотные остатки белков. Отдавая свой водород свободным радикалам, они деформируются. В результате перекисного окисления образуются свободные радикалы •ОН, вытесняющие атомы водорода из жирных кислот и белков. Атомы водорода, соединяясь с гидроксильными группами, образуют в гидрофобном слое мембраны молекулы воды. Происходит распад на фрагменты жирных кислот и пептидов с образованием отрицательно заряженных карбоксильных групп, приводящих к повреждению мембраны и увеличению её проницаемости.

2. Свободнорадикольный механизм перекисного окисления липидов

Процесс образования перекисей липидов в биологических мембранах осуществляется по цепному свободнорадикальному механизму, подобно тому как по цепному механизму происходит деление ядер урана. Особенность цепных реакций состоит в том, что свободные радикалы, реагируя с другими молекулами, не исчезают, а превращаются в другие свободные радикалы.

Наличие в радикалах одиночных электронов обусловливает их свойство присоединять электрон. Поэтому радикалы выполняют роль окислителей. Присоединяя атом водорода, они выполняют функцию дегидрирования. Молекула кислорода может активироваться при взаимодействии с ионом железа:

Fe ²⁺ + O₂ = Fe³⁺ + (O^• – O^– )

Получается супероксидный радикал O ₂ ^•– . Он энергично реагирует с органическими молекулами, отрывая водород или присоединяясь к ненасыщенным связям. Поэтому ионы железа катализируют цепные реакции окисления молекулярным кислородом.

В любом химическом свободнорадикальном процессе принято рассматривать три характерные стадии: реакцию зарождения цепи, её продолжение и реакцию обрыва цепи. Свободнорадикальное окисление начинается с реакции инициирования цепи. Инициаторами могут быть химические реакции, связанные с изменением валентности иона металла (Cu ²⁺ , Fe²⁺ ).

При окислении ионов железа молекулярным кислородом в растворе образуются как O₂ ^•– , так и гидродиоксид- радикал НO2^•

Fe ²⁺ + O₂ = Fe³⁺ + O₂ ^•-

Fe ²⁺ + O₂ + H⁺ = Fe³⁺ + НO₂ ^•

Появление бирадикала дает начало цепи при взаимодействии его с молекулой жирной кислоты RH:

НO ₂ ^• + RH = H₂ O₂ + R^• ,

при этом образуется перекись водорода , а радикалы R ^• подвергаются аутоокислению с образованием алкилдиоксил – радикала:

R

• + O ₂ = RO₂ ^• .

Перекисный радикал может вступать во взаимодействие с новой молекулой ненасыщенной жирной кислоты, при этом образуется следующая молекула радикала R и алкилгидропероксид:

RO ₂ ^• + RH = R^• + ROOH.

Эта реакция начинает новый этап свободнорадикального цепного процесса, который называется продолжением цепи. Следует отметить, что энергия активации реакций инициирования и продолжения цепи практически равна нулю и поэтому весь процесс имеет самоускоряющийся характер. Чередование двух последних реакций приводит к цепному окислению:

Число радикалов (R ^• + RO₂ ^• ) определяет активность процесса в целом, при этом число гидроперекисей липидов может возрастать.

Далее следуют реакции разветвления, когда гидроперекиси разлагаются, инициируя новые цепи. Разветвление происходит в присутствии ионов Fe ²⁺ , под действием ультрафиолетового, ионизирующего излучений, или значительно реже – спонтанно.

ROOH + Fe ²⁺ = RO^• + Fe³⁺ + OH^–

Не все радикалы RO ₂ ^• и R^• продолжают цепь, часть их рекомбинируют друг с другом, дают неактивные продукты и приводят к обрыву цепи. Рекомбинация радикалов:

R ^• + R = ^• RR

RO ₂ ^• + R = ^• ROOR

RO ₂ ^• + RO₂ ^• + H⁺ = ROH ⁺ R=O + O₂ + hν (хемилюминесценция).

Помимо спонтанного обрыва цепей, прерывание цепей возможно:

а) при взаимодействии с Fe ²⁺

RO ₂ ^• + Fe²⁺ + H⁺ = ROOH + Fe³⁺

R ^• + Fe²⁺ + H⁺ = RH + Fe³⁺

б) при взаимодействии с антиоксидантами (А):

AH + R ^• = A^• + RH

AH + RO ₂ ^• = A^• + ROOH

A ^• + RO₂ ^• → неактивные продукты

A ^• + A^• → неактивные продукты

Самым распространенным антиоксидантом является витамин E. Наиболее активен витамин E в относительно низких концентрациях (in vitro 10 ^-6 M), при повышении концентрации, его антиоксидантная активность снижается. Это объясняется усилением реакции

A ^• + RH = AH + R^• ,

которая при низких концентрациях витамина Е не дает существенного вклада в реакцию инициирования новых цепей.

3. Продукты перекисного окисления липидов

В результате самоускоряющихся реакций свободнорадикального окисления образуется множество продуктов ПОЛ. При взаимодействии свободных радикалов с неокисленными молекулами непредельных жирных кислот образуются липидные гидроперекиси (ROOH).

Липоперекиси – неустойчивые вещества, легко подвергаются дальнейшим превращениям с образованием целого ряда более устойчивых вторичных продуктов окисления: альдегидов, кетонов, ряда низкомолекулярных кислот (муравьиной, уксусной, масляной), эпоксисоединений и многих других. Эти вещества являются токсичными для клетки , приводят к нарушению функций мембран и метаболизма в целом.

В случае линоленовой кислоты, имеющей три двойные связи, пос-ледовательность накопления продуктов ПОЛ может быть представлена следующим образом:

Накопление продуктов ПОЛ имеет существенное значение для определения интенсивности этого процесса.

Продуктами ПОЛ являются:

1. Гидроперекиси липидов (ROOH).

2. Диеновые коньюгаты (липоперекиси с сопряженными двойными связями) = CH – CH = CH – CH2 –

3. Перекисные радикалы: H ^• , ^• OH, HO₂ ^•

4. Альдегиды:

5. Малоновый диальдегид

Повреждающее действие продуктов перекисного окисления липидов на белки реализуется за счет их взаимодействия с -SH, — NH ₂ и CH₃ – группами. Продукты ПОЛ могут образовывать комплексы с белками и инициировать полимеризацию белковых молекул, что способствует ещё большему разрушению клеточных структур, подавляет функцию мембранносвязанных ферментов. Перекиси полиненасыщенных жирных кислот, диальдегиды и ряд других вторичных продуктов ПОЛ, взаимодействуя с N-концевыми группами аминокислот, входящих в белки, образуют конъюгированные соединения – так называемые основания Шиффа, которые обладают большой реакционной способностью и могут производить межмолекулярные «сшивки», а также вступать в реакции полимеризации и поликонденсации. В результате этих реакций также теряются присущие биополимерам функциональные свойства. Продукты реакций между малоновым диальдегидом с белками, фосфолипидами и нуклеиновыми кислотами по размеру в несколько раз превосходят исходные молекулы. В результате прочных связей они не подвергаются разрушению и накапливаются с возрастом. К таким биополимерам относится липофусцин, называемый «пигментом старости». Полагают, что липофусцин образуется при взаимодействии продуктов распада фосфолипидов с NH₂ – группами белков.

Свободнорадикальное окисление липидов играет ведущую роль в развитии ультрафиолетовой эритемы кожи, световых ожогов глаз , радиационных повреждений, отравлений четыреххлористым углеродом, свободные радикалы имеют существенное значение в накоплении необратимых повреждений, приводящих к старению организма.

4. Образование перекиси водорода в клетке

Утилизация кислорода в клетке осуществляется в следующих процессах:

1) биологического окисления в митохондриях, сопряженных с образованием АТФ;

2) аутоокисления и образования свободных радикалов;

3) микросомального окисления, связанного с окислением ксенобиотиков;

4) окисления, сопровождаемого образованием перекиси водорода (Н ₂ О₂ ).

Рассмотрим три пути образования Н ₂ О₂ в клетке.

1. Неферментативное образование Н ₂ О₂ за счет аутоокисления субстратов. Этот путь был рассмотрен ранее для случая взаимодействия гидродиоксид-радикала с ненасыщенной жирной кислотой:

HO ₂ ^• + RH = Н₂ О₂ + R^•

2. Перекись водорода образуется при взаимодействии кислорода с дыхательными ферментами (ДФ) в результате одно- и двухэлектронного восстановления О ₂ , причем одновременно с Н₂ О₂ образуется супероксидный радикал:

ДФ + О ₂ = ДФ⁺ + О₂ ^•–

Далее с ним реагируют движущиеся по дыхательной цепи протоны, образуется Н2О2

2О ₂ ^•– + 2Н⁺ = Н₂ О₂ + О₂

В свою очередь перекись водорода взаимодействует с супероксидным радикалом и образуется третье вещество этой группы – гидроксильный радикал НО•

H ₂ O₂ + О₂ ^•– = ^• OH + OH^– + O₂ (реакция Габера-Вейсса).

Генерация гидроксильных радикалов в этой реакции протекает очень медленно, но значительно ускоряется в присутствии ионов металлов с переменной валентностью:

Fe ²⁺ + H₂ O₂ = Fe³⁺ + OH^– + ^• OH

Одним из путей образования синглетного кислорода считается обратимая неферментативная реакция взаимодействия супероксидного радикала с протонами, которая дает также перекись водорода:

2О ₂ ^•– + 2Н⁺ = О₂ ^• + Н₂ О₂

3. Энзиматическое образование перекиси водорода.

Из интермедиатов кислорода перекись водорода считается наиболее стабильным веществом и, следовательно, наименее реакционноспособным. Ее образование требует больших затрат кислорода. Около 10% всего кислорода , потребляемого организмом, расходуется на ферментативное окисление, осуществляемое оксидазами, локализованными в пероксисомах. Оксидазы катализируют прямые реакции между своими субстратами и кислородом. При этом они восстанавливают О ₂ до Н₂ O₂ .