Реферат: Биологическое окисление
Центральную роль в энергообмене клеток всех типов осуществляет система адениновых нуклеотидов, которая включает в себя АТФ, АДФ и АМФ, а также неорганический фосфат и ионы магния. АТФ является термодинамически неустойчивой молекулой и гидролизуется с образованием АДФ и АМФ. Именно эта неустойчивость позволяет АТФ выполнять функцию переносчика химической энергии, необходимой для удовлетворения большей части энергетических потребностей клеток. К соединениям, обладающим богатой энергией связью, помимо АТФ, относится также УТФ, ЦТФ, ГТФ, ТТФ, креатинфосфат, пирофосфат, некоторые тиоэфиры (например, ацетил-КоА), фосфоенолпируват, 1,3-бифосфоглицерат и ряд других соединений.
При гидролизе АТФ в стандартных условиях изменение свободной энергии составляет -30,4 кДж/моль. В физиологических условиях реальная свободная энергия гидролиза концевой фосфатной связи АТФ будет иная и приближается к -50,0 кДж/моль.
Возможно несколько вариантов освобождения энергии фосфатных связей АТФ. Основной вариант - это отщепление концевого фосфата АТФ (АТФ+Н2О ®АДФ+Н3РО4). Другой вариант - пирофосфатное расщепление АТФ (АТФ+Н20 ®АМФ+Н4Р2О7). Этот тип реакции значительно реже используется в биохимических процессах.
Накопление энергии в специфических фосфатных связях АТФ лежит в основе механизма переноса энергии в живой клетке. Есть основания считать, что в клетке существуют три основных типа перехода энергии АТФ:
в энергию химических связей, в тепловую энергию и энергию, затрачиваемую на совершение работы (осмотической, электрической, механической и др.).[15,1997]
Витамин PP.
Витамин РР (никотиновая кислота, никотинамид, ниацин) называют антипеллагрическим витамином (от итал. Preventive pellagra – «предотвращающий пеллагру»), поскольку его отсутствие является причиной заболевания, называемого пеллагрой.
Никотиновая кислота известна давно, однако только в 1937 году она была выделена К. Эльвегеймом из экстракта печени и было показано, что введение никотиновой кислоты (или ее амида - никотинамида) или препаратов печени предохраняет от развития или излечивает от пеллагры.
Никотиновая кислота представляет собой соединение пиридинового ряда, содержащее карбоксильную группу (никотинамид отличается наличием амидной группы).
Витамин РР мало растворим в воде (порядка 1%), но хорошо растворим в водных растворах щелочей. Никотиновая кислота кристаллизуется в виде белых игл.
Наиболее характерными признаками пеллагры (от итал. pelle agra -шершавая кожа), являются поражения кожи (дерматиты), желудочно-кишечного тракта (диарея) и нарушения нервной деятельности (деменция).
Дерматиты чаще всего симметричны и поражают те участки кожи, которые подвержены влиянию прямых солнечных лучей: тыльную поверхность кистей рук, шею, лицо; кожа становится красной, затем коричневой и шершавой. Поражения кишечника выражаются в развитии анарексии, тошноты и болей в области живота, поноса. Диарея приводит к обезвоживанию организма. Слизистая оболочка толстого кишечника сначала воспаляется, затем изъязвляется. Специфичными для пеллагры являются стоматиты, гингивиты, поражения языка со вздутием и трещинами. Поражения мозга выражаются в головных болях, головокружениях, повышенной раздражимости, депрессии и других симптомах, включая психозы, психоневрозы, галлюцинации и другие. Симптомы пеллагры особенно резко выражены у больных с недостаточным белковым питанием. Установлено, что это объясняется недостатком триптофана, который является предшественником никотинамида, частично синтезируемого в тканях человека и животных, а также недостатком ряда других витаминов.
Витамин РР играет роль кофермента в НАД-зависимых дегидрогеназах (участниках тканевого дыхания), метаболизме углеводов и аминокислот, НАДФ-зависимых ферментах (пентозного шунта и синтеза липидов), НМН-зависимых энзимах (алкогольдегидрогеназа и маликфермент). Не менее важна роль его, как субстрата поли-АДФ-рибозилирования. Данный процесс участвует в сшивке хромосомных разрывов и в работе репаразной системы, а также имеет (при нехватке НАД) ключевое значение в механизме некробиоза и апоптоза клеток, особенно – высокоаэробных.[6,2000]
Показано, что ряд дегидрогеназ используют только НАД или НАДФ, другие могут катализировать окислительно-восстановительные реакции в присутствии любого из них. В процессе биологического окисления НАД и НАДФ выполняют роль промежуточных переносчиков электронов и протонов между окисляемым субстратом и флавиновыми ферментами.
Основными источниками никотиновой кислоты и ее амида являются рис, хлеб, картофель, мясо, печень, почки, морковь и другие продукты.[18,1989]
Микросомальное окисление.
Монооксигеназные реакции.
Живые организмы содержат группу многочисленных и разнообразных ферментов, получивших название монооксигеназ. В типичном случае один атом кислородной молекулы обнаруживается в новой гидроксидной группе субстрата, другой – восстанавливается до воды в процессе реакции. В соответствии с этим реакция должна протекать при участии фермента, субстрата, кислородаи какого-либо восстанавливающего агента.
Допамин-b-монооксигеназа, присутствующая в мозге и в хромаффинной ткани, катализирует гидроксилирование 3,4-диоксифенилэтиламина до норадреналина.
Фенолмонооксигеназы имеются у бактерий, растений, насекомых, а также в печени и коже млекопитающих. Полимеризация о-хинона, образовавшегося в результате цепочки реакции, катализируемых этими ферментами, лежит в основе образования меланина.[7,2000]
Диоксигеназные реакции.
Ферменты, катализирующие реакции, в которых оба атома молекулярного кислорода встраиваются в продукты реакции, называются диоксигеназами. Известные в настоящее время ферменты этой группы могут содержать в качестве активной группы гем или негемовое железо, а для действия некоторых необходим a-кетоглутарат.
Железо-a-кетоглутаратдиоксигеназы – железозависимые
ферменты, катализирующие гидроксилирование субстрата в ходе процесса, в котором
a-кетоглутарат подвергается
окислительному декарбоксилированию до сукцината: М + О2 + a-кетоглутарат
М-ОН + сукцинат + СО2 [5,2000]
Цитохромы – ферменты редокс-цепи.
Дальнейший перенос электронов от КоQН2 на О2 осуществляет система цитохромов. Данная система состоит из ряда гемсодержащих белков (гемпротеинов), открытых в 1886 году К. Мак-Мунном. Все они имеют простетическую геминовую группу, близкую к гему гемоглобина. Цитохромы отличаются друг от друга не только простетической группой, но и белковыми компонентами. Все цитохромы, особенно в восстановленной форме, имеют характерные спектры поглощения, величины окислительно-восстановительных потенциалов также неодинаковы.
В имеющем широкое распространение механизме гидроксилирования путем введения одного атома кислорода функциональный атом железа находится в гемовой группе цитохрома – цитохрома Р450. Эти цитохромы обнаруживаются в мембранах печеночной ЭПС, в митохондриях коры надпочечников, в почечной щеточной кайме и в плазматических мембранах различных бактерий. Катализируемая реакция такая же, как у всех других монооксигеназ.
МН + О2 + 2е + 2Н+ ®МОН + Н2О
Цитохромы Р450 из печени относятся к числу индуцируемых ферментов; это означает, что количество присутствующего фермента может увеличиваться в 25 раз при введении одного из многочисленных чужеродных соединений, например фенобарбитала или метилхолантрена. Цитохромы обезвреживают ксенобиотики, а также лимитируют время, в течение которого могут сохранять свою активность некоторые наркотики. Лечение некоторых форм острой интоксикации может быть облегчено введением индуктора, который в этом случае вообще безвреден.
Цитохромы Р450 коры надпочечников находятся в митохондриальной мембране, где два отдельных фермента катализируют соответственно расщепление боковых цепей холестерина до прегненолона и реакции гидроксилирования различных стероидов.[2,1994]
Цитохром Р450 катализирует образование гидроксильных групп при синтезе желчных кислот, стероидных гормонов, при катаболизме ряда веществ и обмене чужеродных соединений.
Первая, обнаруженная в микросомах электронпереносящая система – это система восстановления цитохрома b5 за счет NADH; цитохром b5 восстанавливается NADH-цитохром b5-редуктазой, содержащей на молекуле один FAD, который совершает циклические переходы между полностью восстановленной и окисленной формами. Цитохром b5 прочно связан с ЭПС своей обширной гидрофобной областью. Хотя наружная поверхность области цитохрома, где находится гем, гидрофильна, она лежит в глубокой гидрофобной щели, причем карбоксильные группы пропионовой кислоты ориентированы наружу. Восстановленный цитохром b5 медленно самоокисляется с образованием супероксидного аниона. Этот механизм может быть основным генератором супероксида в клетках печени.[11,1989]
Пероксидазный путь использования кислорода.
Молекулярный кислород является парамагнитным, потому что он содержит два неспаренных электрона с параллельно ориентированными спинами. Эти электроны находятся на разных орбиталях , поскольку два электрона не могут занимать одну и ту же орбиталь, если только их спины не противоположны. Соответственно восстановление кислорода путем прямого введения пары электронов в его частично заполненные орбитали невозможно без «обращения» спина одного из двух электронов. Спиновой запрет восстановления может быть преодолен последовательным добавлением одиночных электронов. Полное восстановление О2 до 2Н2О требует 4 электрона; при одноэлектронном восстановлении в качестве промежуточных продуктов возникают супероксид, пероксид водорода и гидроксидный радикал. Эти продукты 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. Одноэлектронное восстановление кислорода инициирует цепь реакций, которые ведут к образованию ОН:
О2 + е ®
О2
(1)
О2
+ Н
®НО2
(2)
О2
+ НО2 + Н
® Н2О2+О2
(3) [14,1996]
Супероксид-анион,
образуемый в реакции (1), может протонироваться до гидропероксидного радикала
(2). Реакция (3) представляет собой спонтанную дисмутацию, приводящую к
образованию Н2О2+О2. Совокупность этих
реакций дает основание предполагать, что любая система, продуцирующая О2
, будет
также вскоре содержать Н2О2.
Ксантиноксидаза,
альдегидоксидаза и многочисленные флавопротеиды образуют О2
и Н2О2, что
происходит и при самопроизвольном окислении гемоглобина, ферредоксинов,
восстановленных цитохромом b5 гидрохинонов,
тетрагидроптеридинов и адреналина. Угроза для клеток, возникающая из-за
реакционноспособности О2
и Н2О2, устраняется действием
ферментов, эффективно обезвреживающих эти соединения.[14,1996]
Ферментативная антиоксидантная защита.
Супероксиддисмутазы катализируют реакцию
О2
+ О2
+ 2Н
® Н2О2 + О2
Эти ферменты найдены во всех дышащих клетках, а также в различных факультативно анаэробных бактериях. Супероксиддисмутазы – металлоферменты. Их каталитический цикл включает восстановление и окисление иона металла, например Cu, Mn или Fe, на активном центре.
Каталазная
активность наблюдается почти во всех животных клетках и органах. Печень,
эритроциты и почки – богатые источники каталаз. Эта активность также
обнаруживается во всех растительных материалах и в большинстве микроорганизмов,
кроме облигатных анаэробов. В каждом случае каталаза, вероятно, предотвращает
аккумуляцию вредного Н2О2, образуемого при аэробном окислении
восстановленных флавопротеидов и из О2
. Одна молекула каталазы
может разложить 44000 молекулы Н2О2 в секунду. Фактически фермент почти не
требует энергии активации, и скорость реакции полностью определяется диффузией.
Каталаза реагирует с Н2О2 с образованием относительно стабильного
фермент-субстратного комплекса.
Хотя
пероксидазы встречаются относительно редко в животных тканях, в печени и почках
обнаружена слабая пероксидазная активность. Лейкоциты содержат вердопероксидазу,
которая ответственна за пероксидазную активность гноя. Клетки фагоцитов содержат
миелопероксидазу, которая окисляет ионы галогенов, например I
, до свободного
галогена – эффективного бактерицидного агента.
Каталазную и пероксидазную реакции можно записать следующим образом:
НО
ОН О
+ 
2Н2О +
НО ОН О
НО
ОН О
+ R
2Н2О + R
НО ОН О [5,2000]
Неферментативная антиоксидантная защита.
Аскорбиновая кислота (витамин С).
Витамин С легко окисляется до дегидроаскорбиновой кислоты, которая нестабильна в щелочной среде, в которой происходит гидролиз лактонного кольца с образованием дикетогулоновой кислоты.
Аскорбиновая кислота необходима для различных биологических окислительных процессов. Витамин активирует окисление n-оксифенилпирови-ноградной кислоты гомогенатами печени. В присутствии кислорода растворы, содержащие ферро-ионы и аскорбат, катализируют гидроксилирование ряда соединений. Витамин является антиоксидантом, участвует в метаболизме фенилаланина, тирозина, пептидных гормонов, в синтезе жиров и белков, необходим для образования коллагена, способствует сохранению целостности соединительной и остеоидной тканей, обладает антиканцерогенным действием, предотвращая образование канцерогенных нитрозаминов, участвует в распределении и накоплении железа.[17,1995]
Витамин Е.
Витамин был выделен из масла зародышей пшеничных зерен в 1936 году и получил название токоферол. Семь токоферолов, производных исходного соединения токола, найдены в природных источниках; среди них наибольшее распространение и наибольшую биологическую активность имеет a-токоферол. Токоферолы обозначаются греческими буквами: альфа, бета, гамма и дельта.[18,1989]
Витамин защищает клеточные структуры от разрушения свободными радикалами, участвует в биосинтезе гема, препятствует тромбообразованию, участвует в синтезе гормонов, поддерживает иммунитет, обладает антиканцерогенным эффектом, обеспечивает нормальное функционирование мышц.
Рисунок 6. Механизм действия витамина.[8,2000]
Ткани животных с недостаточностью витамина Е, особенно сердечная и скелетные мышцы, более быстро потребляют кислород, чем ткани нормальных животных. a-Токоферол нелегко подвергается обратимому окислению. Увеличенное потребление кислорода мышцами при недостаточности витамина связаны, по-видимому, с пероксидным окислением ненасыщенных жирных кислот. В других тканях, например в печени, это приводит к нарушению структуры митохондрий и снижению дыхания. Имеются данные о том, что пероксидное окисление ненасыщенных жирных кислот в эндоплазматическом ретикулуме мышечных клеток приводит к освобождению лизосомальных гидролаз, в результате развивается мышечная дистрофия. Все проявления недостаточности витамина представляет собой вторичные явления, обусловленные отсутствием торможения пероксидного окисления полиненасыщенных жирных кислот.
Классическим проявлением недостаточности витамина Е у лабораторных животных является бесплодие. У самцов наиболее ранним наблюдаемым признаком недостаточности является неподвижность сперматозоидов. Наблюдается также ряд других изменений: дегенерация эпителия почечных канальцев, депигментация передних зубов. Другим проявлением недостаточности витамина Е является гемолиз эритроцитов in vitro в присутствии пероксидов или производных аллоксана. У крыс с продолжительной недостаточностью витамина развивается мышечная дистрофия с явлениями прогрессирующего паралича задних конечностей, понижается содержание креатина в мышцах, возникает креатинурия и несколько снижается экскреция креатинина. Могут также развиваться явления недостаточности витамина А вследствие окислительной деструкции последнего из-за отсутствия в рационе витамина, обладающего антиоксидантными свойствами. Проявлениями гипервитаминоза являются тошнота, головокружение и тахикардия.[6,2000]
Витамин Р.
Витамин Р (рутин, цитрин) был выделен в 1936 году А. Сент-Дьёрдьи из кожуры лимона. Под термином «витамин Р» объединяется группа веществ со сходной биологической активностью: катехины, халконы, флавины и др. Все они обладают Р-витаминной активностью и в основе их структуры лежит дифенилпропановый углеродный «скелет» хромона или флавона (общее название «биофлавоноиды»).
Биофлавоноиды стабилизируют основное вещество соединительной ткани путем ингибирования гиалуронидазы, что подтверждается данными о положительном влиянии Р-витаминных препаратов, как и аскорбиновой кислоты, на профилактику и лечение цинги, ревматизма, ожогов и др. Эти данные указывают на тесную функциональную связь витаминов С иР в окислительно-восстановительных процессов организма.
При недостаточности биофлавоноидов или отсутствии их в пище повышается проницаемость кровеносных сосудов, сопровождающаяся кровоизлияниями и кровотечениями, отмечается также общая слабость, быстрая утомляемость и боли в конечностях.
Основными источниками витамина являются растительные продукты питания (в частности, овощи и фрукты), в которых содержится много витамина С. Витаминная промышленность выпускает ряд препаратов с Р-витаминной активностью: чайные катехины, рутин, гесперидин, нарингин и другие.[18,1989]
Заключение.
Проблема, освещенная в данной работе, на сегодняшний день является очень важным разделом в биохимии, где, несмотря на достигнутые успехи, остается множество вопросов и пробелов.
Знание вопросов биоорганической химии является нужным и важным в практике каждого врача, так как активное развитие фармакологии и появление множества новых препаратов позволяет, зная биохимию процессов, протекающих в организме, воздействовать на них и лечить многие заболевания на клеточном уровне, стимулируя энергетические процессы на уровне митохондрий.
Любая внезапная смерть связана с гипоксией, которая сопровождается накоплением в организме большого количества молочной кислоты за счет подавления функции челночных механизмов, и как следствие - возникает ацидоз. При гипоксии неограниченно образуются свободные радикалы и интенсивно протекает перикисное окисление липидов с последующим необратимым повреждением клеток. Изучение нарушений механизмов биологического окисления и способов коррекции является важным при лечении патологий сердечно-сосудистой и дыхательной систем, возрастных патологиях, воспалениях. Особо важное значение имеют эти знания в реанимации, при наркозах, так как уровень молочной кислоты значительно возрастает во время операций под наркозом, например кетамином или этраном, под влиянием наркотических веществ происходит разобщение процессов окисления и фосфорилирования. Вот почему так важно иметь в распоряжении наиболее полные знания и информативные данные, оценка которых может обеспечить максимальные возможности прогноза течения заболевания.
Список литературы:
1. Альбертс Б., Брей Д., Льюис Дж., Рэфф М., Робертс К., Уотсон Дж. Молекулярная биология клетки: В 3-х т.,2-е изд., пер.и доп. Т.1. Пер. с англ. – М.: Мир, 1994 – 517 с., ил.
2. Бышевский А.Ш., Терсенов О.А. Биохимия для врача. Екатеринбург: Издательско-полиграфическое предприятие «Уральский рабочий». - 1994 – 384 с.
3. Виноградов А.Д. Митохондриальная АТФ-синтезирующая машина: пятнадцать лет спустя.//Биохимия. – 1999 – Т.64. Вып.11 – с.1443-1456
4. Галкин М.А., Сыроешкин А.В. Кинетический механизм реакции синтеза АТФ, катализируемый митохондриальной F0-F1-АТФазой.//Биохимия. – 1999 – Т.64.Вып 10 – с.1393-1403
5. Гринстейн Б., Гринстейн А. Наглядная биохимия. – М.: «Медицина» 2000 – с.68-69, 84-85
6. Зайчик А.Ш., Чурилов Л.П. Основы общей патологии. Часть 2. Основы патохимии. – СПб. – 2000 – 384 с.
7. Козинец Г.И. Физиологические системы человека. – М.: «Триада-Х» - 2000 – с.156-164
8. Коровина Н.А., Захарова И.Н., Заплатников А.Л. Профилактика дефицита витаминов и микроэлементов у детей (справочное пособие для врачей). – Москва, 2000
9. Ленинджер А. Основы биохимии. – М.: Мир – 1991 – 384 с.
10. Марри Р., Греннер Д., Мейес П., Родуэлл В. Биохимия человека: В2-х т. Т.1.Пер с англ.: - М.: Мир – 1993 – 384 с.
11. Николаев А.Я. Биологическая химия. Учеб. для мед. спец. Вузов – М.: Высшая школа. – 1989 – 495с.
12. Рябов Г.А. Гипоксия критических состояний. – М.: Медицина. – 1992 – 288 с.
13. Самарцев В.Н. Жирные кислоты как разобщители окислительного фосфорилирования.// Биохимия. – 2000 – Т.65.Вып.9 – с.1173-1189
14. Скулачев В.П. Кислород в живой клетке: добро и зло.// Соросовский образовательный журнал. – 1996 - №3 – с.4-10
15. Скулачев В.П. Эволюция биологических механизмов запасания энергии.// Соросовский образовательный журнал. – 1997 - №5 – с.11-19
16. Скулачев В.П. Стратегии эволюции и кислород.// Природа. – 1998 - №12 – с.11-20
17. Тутельян В.А., Алексеева И.А. Витамины антиоксидантного ряда: обеспеченность населения и значение в профилактике хронических заболеваний.// Клиническая фармакология и терапия. – 1995 - №4 (1) – с.90-95
18. Шилов П.И., Яковлев Т.Н. Основы клинической витаминологии. – Л.: Медицина – 1989 – 343 с.
