Окислительная модификация (ОМ) нуклеиновых кислот

При ОМ ДНК происходит образование гидропероксидов ROOH (так, из тимина образуется 5-CH₂OOH-урацил), а затем гидроксипроизводных ROH или R(OH)₂, основными из которых являются 8-OH-2’-дезоксигуанозин и тимингликоль (маркеры ОМ ДНК в тканях и моче).

Окислительная модификация (ОМ) белков

При ОМ белков происходит образование в организме ROOH, а затем ROH (o- и m-тирозины), R(OH)₂(ДОФА), карбонилов и других окисленных производных. Образуются димеры (дитирозины). Происходит аутооксидативное гликозилирование белков.

№ 34. Обезвреживание активных форм кислорода. Ферментная антиоксидантная система (каталаза, супероксиддисмутаза, глутатионпероксидаза, глутатионредуктаза). Схемы процессов, биороль, место протекания.

Большое содержание кислорода в эритроцитах определяет высокую скорость образования супероксидного анион-радикала (О₂^-), пероксида водорода (Н₂О₂) и гидроксил радикала (ОН^.). Эритроциты содержат ферментативную систему, предотвращающую токсическое действие активных форм кислорода и разрушение мембран эритроцитов (рис. 14-4). Постоянный источник активных форм кислорода в эритроцитах - неферментативное окисление гемоглобина в метгемоглобин:

В течение суток до 3% гемоглобина может окисляться в метгемоглобин. Однако постоянно

Рис. 14-3. Метаболизм 2,3-бисфосфоглицерата в эритроцитах.

метгемоглобинредуктазная сисгема восстанавливает метгемоглобин в гемоглобин. Метгемоглобинредуктазная сисгема состоит из цитохрома B₅ и флавопротеина цитохром B₅редуктазы, донором водорода для которой служит NADH, образующийся в глицеральдегиддегидрогеназной реакции гликолиза (рис. 14-4).

Цитохром B₅ восстанавливает Fe³⁺ метгемог-лобина в Fe²⁺:

Hb-Fe³⁺ + цит. b_{5 восст.} → HbFe²⁺ + цит. b_{5 ок.}.

Окисленный цитохром B₅ далее восстанавливается цитохром B₅ редуктазой:

Цит. B_{5 ок} + NADH → цит. B_{5 восст.} + NAD⁺.

Супероксидный анион с помощью фермента супероксидцисмутазы превращается в пероксид водорода:

O₂^- + O₂^- + Н⁺ → H₂О₂ + O₂.

Пероксид водорода разрушается каталазой и содержащим селен ферментом глутатионпероксидазой. Донором водорода в этой реакции служит глутатион - трипептид глутамилцистеинилглицин (GSH) (см. раздел 12).

2Н₂О → 2Н₂О + О₂; 2GSH + 2Н₂О₂ → GSSG + 2Н₂О.

Окисленный глутатион (GSSG) восстанавливается NADPH-зависимой глутатионредуктазой. Восстановление NADP для этой реакции обеспечивают окислительные реакции пентозофосфатного пути

В организме токсическое действие активных форм кислорода предотвращается за счет функционирования систем антиоксидантной защиты. В норме сохраняется равновесие между окислительными (прооксидантными) и антиоксидантными системами. Антиоксидантная система защиты представлена ферментными и неферментативными компонентами.

 

Ферменты антиоксидантной системы:

1. супероксиддисмутаза,

2. каталаза,

3. пероксидаза (глутатионпероксидаза),

4. глутатионредуктаза.

 

Наиболее активны эти ферменты в печени, почках и надпочечниках.

Супероксиддисмутаза превращает супероксидные анионы в пероксид водорода:

2•О₂^- + 2Н⁺ → Н₂О₂ + О₂

 

Супероксидисмутаза является мощным ингибитором свободнорадикального окисления в организме, защищающим биополимеры (белки, нуклеиновые кислоты и др.) от окислительной деструкции. Супероксидисмутаза – индуцируемый фермент, т.е. синтез его увеличивается, если в клетках активируется ПОЛ.

Каталаза является гемопротеином и катализирует реакцию разложения пероксида водорода:

2Н₂О₂ → 2Н₂О + О₂

 

В клетках каталаза локализована в пероксисомах, где образуется наибольшее количество пероксида водорода, а также в лейкоцитах, где она защищает клетки от последствий «респираторного взрыва».

Глутатионпероксидаза – важнейший фермент, обеспечивающий инактивацию пероксида водорода и пероксидных радикалов. Он катализирует восстановление пероксидов при участии трипептида глутатиона. SH-группа глутатиона служит донором электронов и, окисляясь образует дисульфидную форму глутатиона:

Н₂О₂ + 2НS-глутатион → 2Н₂О + глутатион-S-S-глутатион

 

Окисленный глутатион восстанавливается глутатионредуктазой:

глутатион-S-S-глутатион + НАДФН+Н⁺ → 2HS-глутатион + НАДФ⁺

 

Глутатионпероксидаза в качестве кофермента использует селен. При его недостатке активность антиоксидантной защиты снижается.

№35. Неферментная антиоксидантная система (витамины А, Е, С), механизм действия биороль.

1) Природные водорастворимые антиоксиданты (витамин С; карнозин; таурин; восстановленные тиолы, содержащие SH-группы; цистеин; НS-КоА; белки, содержащие селен). Витамин С участвует в ингибировании ПОЛ с помощью двух механизмов. Во-первых, он восстанавливает окисленную форму витамина Е и поддерживает необходимую концентрацию этого антиоксиданта в мембранах клеток. Во-вторых, витамин С взаимодействует как восстановитель с водорастворимыми активными формами кислорода и инактивирует их.

2) Липофильные низкомолекулярные антиоксиданты, локализованные в мембранах клеток (витамин Е; β-каротин; КоQ; нафтахоиноны). Витамин Е – наиболее распространенный антиоксидант в природе, способен инактивировать свободные радикалы непосредственно в гидрофобном слое мембран и тем самым предотвращать развитие цепи перекисного окисления. b-каротин, предшественник витамина А, также ингибирует ПОЛ. Уменьшение содержания этого антиоксиданта в тканях приводит к тому, что продукты ПОЛ начинают производить вместо физиологического патологический эффект.

Растительная диета, обогащенная витаминами Е, С, каротиноидами, уменьшает риск развития атеросклероза и заболеваний сердечно-сосудистой системы, обладает антиканцерогенным действием. Действие этих витаминов связано с ингибированием ПОЛ и кислородных радикалов и, следовательно, с поддержанием нормальной структуры компонентов клеток.

№ 36. Обезвреживание ксенобиотиков в организме. Микросомальная система окисления, роль цитохрома Р450 (схема процесса, место протекания, регуляция).

Обезвреживание большинства ксенобиотиков происходит путём химической модификации и протекает в 2 фазы (рис. 12-1). В результате этой серии реакций ксенобиотики становятся более гидрофильными и выделяются с мочой. Вещества, более гидрофобные или обладающие большой молекулярной массой (>300 кД), чаще выводятся с жёлчью в кишечник и затем удаляются с фекалиями.

Сисгема обезвреживания включает множество разнообразных ферментов, под действием которых практически любой ксенобиотик может быть модифицирован.

Микросомальные ферменты катализируют реакции С-гидроксилирования, N-гидроксилирования, О-, N-, S-дезалкилирования, окислительного дезаминирования, сульфоокисления и эпоксидирования (табл. 12-1).

В мембранах ЭР практически всех тканей локализована сисгема микросомального окисления (монооксигеназного окисления). В эксперименте при выделении ЭР из клеток мембрана распадается на части, каждая из которых образует замкнутый пузырёк - микросому, отсюда и название - микросомальное окисление. Эта сисгема обеспечивает первую фазу обезвреживания большинства гидрофобных веществ.

В метаболизме ксенобиотиков могут принимать участие ферменты почек, лёгких, кожи и ЖКТ, но наиболее активны они в печени. К группе микросомальных ферментов относят специфические оксидазы, различные гидролазы и ферменты конъюгации.

Вторая фаза - реакции конъюгации, в результате которых чужеродное вещество, модифицированное ферментными сисгемами ЭР, связывается с эндогенными субстратами - глюкуроновой кислотой, серной кислотой, глицином, глутатионом. Образовавшийся конъюгат удаляется из организма.

 

Рис. 12-1. Метаболизм и выведение ксенобиотиков из организма. RH - ксенобиотик; К - группа, используемая при конъюгации (глутатион, глюкуронил и др.); М - молекулярная масса. Из множества цитохром Р₄₅₀ - зависимых реакций на рисунке приведена только одна - схема гидроксилирования ксенобиотика. В ходе первой фазы в структуру вещества RH вводится полярная группа ОН^-. Далее происходит реакция конъюгации; конъюгат в зависимости от растворимости и молекулярной массы удаляется либо почками, либо с фекалиями.

Микросомальные оксидазы - ферменты, локализованные в мембранах гладкого ЭР, функционирующие в комплексе с двумя внемитохондриальными ЦПЭ. Ферменты, катализирующие восстановление одного атома молекулы О₂ с образованием воды и включение другого атома кислорода в окисляемое вещество, получили название микросомальных оксидаз со смешанной функцией или микросомальных монооксигеназ. Окисление с участием монооксигеназ обычно изучают, используя препараты микросом.

1. Основные ферменты микросомальных
электронтранспортных цепей

Микросомальная сисгема не содержит растворимых в цитозоле белковых компонентов, все ферменты - мембранные белки, активные центры которых локализованы на цитоплазматической поверхности ЭР. Сисгема включает несколько белков, составляющих электронтранспортные цепи (ЦПЭ). В ЭР существуют две такие цепи, первая состоит из двух ферментов - NADPH-P₄₅₀ редуктазы и цитохрома Р₄₅₀, вторая включает фермент NADH-цитохром-b₅ редуктазу, цитохром b₅ и ещё один фермент - стеароил-КоА-десатуразу.

Электронтранспортная цепь - NADPH-P₄₅₀ редуктаза - цитохром Р₄₅₀. В большинстве случаев донором электронов (e) для этой цепи служит NADPH, окисляемый NАDРН-Р₄₅₀ редуктазой. Фермент в качестве простетической группы содержит 2 кофермента - флавинаденинди-нуклеотид (FAD) и флавинмононуклеотид (FMN). Протоны и электроны с NADPH переходят последовательно на коферменты NADPH-P₄₅₀ редуктазы. Восстановленный FMN (FMNH₂) окисляется цитохромом Р₄₅₀(см. схему ниже).

Цитохром Р₄₅₀ - гемопротеин, содержит простетическую группу гем и имеет участки связывания

для кислорода и субстрата (ксенобиотика). Название цитохром Р₄₅₀ указывает на то, что максимум поглощения комплекса цитохрома Р₄₅₀ лежит в области 450 нм.

Окисляемый субстрат (донор электронов) для NADH-цитохром b₅ -редуктазы - NADH (см. схему выше). Протоны и электроны с NADH переходят на кофермент редуктазы FAD, следующим акцептором электронов служит Fe³⁺ цитохрома b₅. Цитохром b₅ в некоторых случаях может быть донором электронов (e) для цитохрома Р₄₅₀ или для стеароил-КоА-десатуразы, которая катализирует образование двойных связей в жирных кислотах, перенося электроны на кислород с образованием воды (рис. 12-2).

NADH-цитохром b₅ редуктаза -двухдоменный белок. Глобулярный цитозольный домен связывает простетическую группу - кофермент FAD, а единственный гидрофобный "хвост" закрепляет белок в мембране.

Цитохром b₅ - гемсодержащий белок, который имеет домен, локализованный на поверхности мембраны ЭР, и короткий "заякоренный" в липидном бислое спирализованный домен.

NADH-цитохром b₅ -редуктаза и цитохром b₅, являясь "заякоренными" белками, не фиксированы строго на определённых участках мембраны ЭР и поэтому могут менять свою локализацию.

2. Функционирование цитохрома Р₄₅₀

Известно, что молекулярный кислород в триплетном состоянии инертен и не способен взаимодействовать с органическими соединениями. Чтобы сделать кислород реакционно-способным, необходимо его превратить в синглетный, используя ферментные системы его восстановления. К числу таковых принадлежит моноксигеназная сисгема, содержащая цитохром Р₄₅₀. Связывание в активном центре цитохрома Р₄₅₀ липофильного вещества RH и молекулы кислорода повышает окислительную активность фермента.

Рис. 12-2. Электронтранспортные цепи ЭР. RH - субстрат цитохрома Р₄₅₀; стрелками показаны реакции переноса электронов. В одной системе NADPH окисляется NADPH цитохром Р₄₅₀-редуктазой, которая затем передаёт электроны на целое семейство цитохромов Р₄₅₀. Вторая сисгема включает в себя окисление NADH цитохром b₅-редуктазой, электроны переходят на цитохром b₅; восстановленную форму цитохрома b₅ окисляет стеароил-КоА-десатураза, которая переносит электроны на О₂.

Один атом кислорода принимает 2 е и переходит в форму О^2-. Донором электронов служит NADPH, который окисляется NADPH-цитохром Р₄₅₀ редуктазой. О^2- взаимодействует с протонами: О^2- + 2Н⁺→ Н₂О, и образуется вода. Второй атом молекулы кислорода включается в субстрат RH, образуя гидроксильную группу вещества R-OH (рис. 12-3).

Суммарное уравнение реакции гидроксилирования вещества RH ферментами микросомального окисления:

RH + О₂ + NADPH + Н⁺ → ROH + Н₂О + NADP⁺.

Субстратами Р₄₅₀ могут быть многие гидрофобные вещества как экзогенного (лекарственные препараты, ксенобиотики), так и эндогенного (стероиды, жирные кислоты и др.) происхождения.

Таким образом, в результате первой фазы обезвреживания с участием цитохрома Р₄₅₀ происходит модификация веществ с образованием функциональных групп, повышающих растворимость гидрофобного соединения. В результате модификации возможна потеря молекулой её биологической активности или даже формирование более активного соединения, чем вещество, из которого оно образовалось.

3. Свойства системы микросомального
окисления

Важнейшие свойства ферментов микросомального окисления: широкая субстратная специфичность, которая позволяет обезвреживать самые разнообразные по строению вещества, и регуляция активности по механизму индукции.

Широкая субстратная специфичность. Изоформы Р₄₅₀

К настоящему времени описано около 150 генов цитохрома Р₄₅₀, кодирующих различные изоформы фермента. Каждая из изоформ Р₄₅₀ имеет много субстратов. Этими субстратами могут быть как эндогенные липофильные вещества, модификация которых входит в путь нормального метаболизма этих соединений, так и гидрофобные ксенобиотики, в том числе лекарства. Определённые изоформы цитохрома

Рис. 12-3. Транспорт электронов при монооксигеназном окислении с участием Р₄₅₀. Связывание (1) в активном центре цитохрома Р₄₅₀ вещества RH активирует восстановление железа в теме - присоединяется первый электрон (2). Изменение валентности железа увеличивает сродство комплекса P₄₅₀-Fe²⁺·RH к молекуле кислорода (3). Появление в центре связывания цитохрома Р₄₅₀ молекулы О₂ ускоряет присоединение второго электрона и образование комплекса P₄₅₀-Fe²⁺O₂^--RH (4). На следующем этапе (5) Fe²⁺ окисляется, второй электрон присоединяется к молекуле кислорода P₄₅₀-Fe³⁺O₂^2-. Восстановленный атом кислорода (О^2-) связывает 2 протона, и образуется 1 молекула воды. Второй атом кислорода идёт на построение ОН-группы (6). Модифицированное вещество R-OH отделяется от фермента (7).

Р₄₅₀ участвуют в метаболизме низкомолекулярных соединений, таких как этанол и ацетон.