Биохимия. Предмет биохимии
 Скачать 0.58 Mb.
|
|
Номенклатура ферментов. 1) Буква латинского алфавита. 2) По химической природе (например, витамин А – ретинол). 3) Добавляется приставка «анти-» к заболеванию, которое развивается при отсутствии этого витамина (например, витамин А называют антиксерофтальмическим – препятствующий сухости глаза, витамин Д –антирахитический и т.д.). Классификация витаминов. 1) Жирорастворимые (А, Д, Е, К). 2) Водорастворимые (В1, В2, В6, В12, РР, С и т.д.). 3) Витаминоподобные вещества (частично синтезируются в организме и обладают витаминными свойствами) – это холин, липоевая кислота, оротовая кислота, убихинон, линолевая кислота, линоленовая кислота, витамин У (или латинское U), инозит, витамин В12 и т.д. Обмен витаминов. 1) Всасывание витаминов происходит с помощью специальных белков (В12 требует присутствия внутреннего фактора (гликопротеид) секретируемого желудком). 2) Транспорт витаминов (водорастворимые витамины переносятся плазмой, нерастворимые - белками). 3) Встраивание в состав ко-ферментов. 4) Выделение продуктов обмена. При нарушении обмена витаминов развиваются различного рода патологические состояния – авитаминоз, гиповитаминоз, гипервитаминоз. Причины развития таких состояний могут быть эндогенные (нарушение всасывания, транспорта и т.д.) или экзогенные (недостаточное поступление витаминов в организм, или полное отсутствие их в потребляемой пище, или , наоборот, чрезмерно большое количество витаминов, поступающие в организм). Экзогенные авитаминозы называют алиментарными, а эндогенные – вторичными. Соответственно экзогенные авитаминозы лечат, назначая витамины (через рот), а эндогенные – парентеральным введением витаминов в организм. Рекомендации в области диеты. Все требования к питанию должны быть направлены на предотвращение заболеваний, связанных с пищевой недостаточностью и на укрепление здоровья. С другой стороны некоторые распространенны заболевания связаны с избыточным потреблением каких-то пищевых продуктов. Ожирение обычно отражает избыточное потребление пищи, богатой энергией и часто сочетается с развитием инсулин-независимого сахарного диабета. Атеросклероз и ишемическая болезнь сердца, как правило, обусловлено приемом пищи, богатой, общим и насыщенным жиром. Развитие рака молочной железы и толстого кишечника коррелирует с высоким потреблением жира. Поражение сосудов мозга и гипертония ассоциируются с потреблением больших количеств соли и т.д. Рекомендации по улучшению диеты могут быть суммированы следующим образом: 1) в случае избыточной массы тела общее потребление энергии должно быть меньше; 2) диета должна включать меньше жиров и больше углеводов; 3) большая часть углеводов должна поступать в виде сложных углеводов и меньшая – в виде простых сахаров; 4) следует употреблять больше ненасыщенных жиров и меньше насыщенных; 5) содержание холестерола и соли в диете должно быть минимальным; 6) количество неусвояемых углеводов (пищевых волокон) в рационе необходимо увеличить. БИООКИСЛЕНИЕ. Одна из основных концепций общего курса химии состоит в том, что любая окислительно-восстановительная реакция включает перенос электронов. От окисляемого компонента реакции электроны переходят к компоненту, который восстанавливается. Окисленная и восстановленная форма какого-то соединения образуют пару. Относительная способность любой пары восстанавливаться выражают с помощью стандартного окислительно-восстановительного потенциала (измеряют в вольтах). Значение каждого потенциала измеряется относительно стандартной водородной пары 2Н+/Н2. При строго стандартных условиях (температура, давление, концентрация и т.д.) окислительно- восстановительный потенциал водородной пары условно принят за 0,00 вольт. Относительную способность любых двух пар участвовать в реакции переноса электронов можно легко предсказать: для любых двух пар при данных условиях, обладающая более положительным значением редокспотенциала пара будет стремиться самопроизвольно принимать электрон и восстанавливаться, а, соответственно, та пара у которой окислительно-восстановительный потенциал ниже, будет стремиться отдать электрон и соответственно окислится. Внутримитохондриальное окисление. Биоокисление – это совокупность всех окислительно-восстановительных процессов, протекающих в живых организмах. Его основные функции: 1) энергетическая (производство энергии для выполнения различных видов работы – мышечного сокращения, трансмембранного транспорта и т.д.); 2) биосинтетическое (путем окислительных реакций могут синтезироваться новые вещества); 3)детоксикационная (обезвреживающая) – некоторые токсические вещества путем окисления превращаются в нетоксичные или менее токсичные вещества. По сути, окисление – это перенос электронов от донора к акцептору. Есть аэробное и анаэробное окисление. Это зависит от того, что является акцептором электронов. При аэробном окислении – это кислород, при анаэробном – другие вещества. Первые попытки объяснить окисление появились в конце 19 – начале 20 вв. Возникло несколько теорий, которые объясняли окислительную способность кислорода его предварительной активации. Это, например, теория А.Н. Баха (перекисная теория). Он считал, что в организме есть некоторые вещества, которые легко взаимодействуют с кислородом, образуя перекиси:  O  R + O2 R |  O Образовавшаяся перекись, будучи сильным окислителем, окисляет все остальные субстраты. А.В. Палладин предложил дегидрогеназную теорию, согласно которой от субстрата отщепляется под действием дегидрогеназ протоны и электроны и тем самым субстрат окисляется. Большое влияние на развитие учения о биокисление имели работы О. Варбурга, Кребса, Митчелла, В.А. Энгельгардта, В.П. Скулачева и других. Например в 20 –30 гг. Г. Виланд, Т. Тунберг и Д. Ксилин установили промежуточные переносчики электронов. Выделяют внутримитохондриальное окисление (протекает на внутренней мембране), окисление на внешней мембране, внемитохондриальное (протекает в эндоплазмотической сети (микросомальное), в цитозоли, пероксисомах) – играет биосинтетическую и обезвреживающую функцию. Хотя некоторые бактерии (анаэробные) способны жить без кислорода, жизнь высших животных полностью зависит от снабжения кислородом. Кислород используется, главным образом в процессе дыхания. Дыхание можно представить как процесс последовательного переноса электронов, полученных при окислении какого-либо субстрата, на кислород с последующим соединением кислорода с водородом с образованием воды. Выделяющаяся при этом химическая энергия улавливается клеткой и превращается в удобную для организма форму – АТФ и другие макроэрги. Эти процессы происходят в митохондриях. Митохондрии найдены во всех эукриотических клетках, однако их размер, форма и число меняются от одной клетки к другой. Установлено, что эти изменения происходят в ответ на изменение в метаболизме и в результате старения клеток. Также они могут быть связаны с различными патологическими изменениями в самих клетках. В клетках животных митохондрии часто имеют вытянутую (палочкообразную) форму; длинна 1,5 – 2,0 мкм, диаметр 0,5 – 1,0 мкм. Размер митохондриии составляет примерно 1/20 размера ядра и приблизительно равен размеру кишечной палочки. В клетках, характеризующихся высоким уровнем метаболизма их число может быть весьма больше. Например каждая клетка печени содержит около 1000 (500 до 2000) митохондрий. В то же время, клетки, участвующие в анаэробном (кислороднезависимом) метаболизме (например, клетки скелетных мышц) содержат лишь несколько митохондрий. Для печени общая площадь внутренней мембраны равна 40 кв. м / г митохондриальной ткани, для сердца – 200 кв. м /г. При использовании электронной микроскопии (увеличение примерно в 95000 раз) установлено строение митохондрий (мембранная система и довольно много внутримитохондриальных структур). При ближайшем рассмотрении оказалось, что система мембран представляет собой двойную мембрану – то-есть две отдельные мембраны, разделенные межмембранным пространством. Тогда как окружающая митохондрию внешняя мембрана гладкая, у внутренней мембраны имеются много нерегулярно расположенных складок, выступающих внутрь митохондрий. Такие складки внутренней мембраны называют также кристами. Это резко увеличивает общую площадь мембраны. Район вокруг крист заполнен внутримитохондриальной жидкостью и называется митохондриальным матриксом. Митохондрии отвечают за основные процессы аэробного метаболизма в клетке, в том числе за такие жизненно важные, как цикл трикарбоновых кислот и окислительное фосфорилирование. Совместно эти процесы производят почти всю энергию, необходимую для роста и выживания клетки. Молекулярные процессы, ответственные за получение энергии, происходят на поверхности внутренней мембраны, особенно в клетках. Матриакс митохондрий так же содержит ДНК. Ее количество невелико (примерно 2 – 4 % общего содержания ДНК в клетке). Предполагается, что митохондриальная ДНК содержит генетическую информацию, необходимую для развития митохондрий. Наличие в митохондриях рибосом и некоторых ферментв, участвующих в биосинтезе нуклеиновых кислот, говорит в пользу этого предположения. Другими словами , в крупных клетках митозондрии, возможно, представляют вторичную микроклетку, способную синтезировать свои собственные белки, используя собственную генетическую программу. Есть предположение, что митохондрии произошли от примитивных бактерий. Это возможно, объясняется происшедшим на ранней стадии эволюции инфицированием развивающегося эукариотического организма парсзитной митохондриеподобной бактериальной клеткой. В дальнейшем процессы жизнедеятельности клетки-хозяина и бактериальной клетки дополняли друг друга и могли развиваться как единое целое. Билогическое окисление (в клетках его называют тканевое дыхание) – это совокупность всех реакций окисления, протекающих во всех живых клеткх. Основная функция этого процесса – обеспечение организма энергией в доступной для использования форме (прежде всего в форме АТФ). Особенностью биологического окисления в митохондриях является то, что оно протекает постепенно, через многочисленные промежуточные ферментативные стадии, то-есть происходит многократная передача протонов и электронов от донора к акцептору. У аэробов конечным акцептором протонов и электронов служит кислород. Г. Виланд, Т. Тунберг, Д. Кейлин (1920 – 1930 гг.) установили промежуточные переносчики электронов. Как правило, полный процесс транспорта электронов от исходного донора электронов – востановленного субстрата (SH2) к терминальному акцептору электронов – кислороду, выглядит как цепь последовательных окилительно-восстановительных реакций, в ходе которых происходит взаимодействие переносчиков. Каждый промежуточный переносчик вначале выступает как акцептор электронов, будучи в окисленном состоянии и, приняв электроны, восстанавливается, передавая затем электроны следующему переносчику, тем самым вновь возвращается в окисленное состояние. На последней стадии переносчик передает электроны кислороду, который восстанавливается до воды. Совокупность последовательных окислительно-востановительных реакций называется цепью переноса (или транспорта) электронов или дыхательной цепью. Дыхательные системы в митохондриях строго структурированы, окисление идет в основном на внутренней мембране митохондрий, которая имеет весь необходимый набор дыхательных систем, которые обеспечивают перенос электронов с субстрата на кислород и утилизируют выделяющуюся при этом энергию. То-есть в митохондриях окисление имеет в первую очередь энергетическое значение. Основная дыхательная цепь в митохондриях имеет следующий вид:     SH2 НАД+ (НАДФ+) ФМН FeS KoQ цВ FeS цС1 цС  SH2 ФАД FeS цА1А3 О2 В высших организмах промежуточными переносчиками в дыхательной цепи являются:НАД(никотинамиддинуклеотид) (НАДФ(никотинамиддинуклеотидфосфат)), ФАД и ФМН, КоQ, семейство белков – цитохромов (гемсодержащие белки) и белки, содержащие негеминовое железо, то-есть белки содержащие железо-сероцентры. Рассмотрим все эти системы. Можно сказать что существуют полная и укороченная дыхательные цепочки. Процесс начинается с переноса электронов от восстановленного субстрата (SH2) к НАД или ФАД. Это определяется тем, является ли дегидрогеназа, катализирующая первую стадию, НАД – или ФАД – зависимой. Если процесс процесс начинается с НАД, то следующим переносчиком будет ФМН. Каким бы не был исходный субстрат, электроны от флавина переносятся к КоQ, а затем в ходе определенной последовательности реакций переноса цитохромами достигают кислорода – терминального акцептора электронов. 1)НАД – и НАДФ – зависимые дегидрогеназы (где НАД и НАДФ – ко-ферменты). Описано более 250 таких ферментов. Это белки, молекулярная масса 70000 – 100000 Дальтон, часто в активных центрах содержат – тиогруппы (соответственно, подвержены воздействию тиоловых ядов), в ряде случаев содержит металлы. Отмечается специфичность ферментов в отношении НАД или НАДФ (или - или). Например, НАД-зависимый фермент лактатдегидрогеназа (ЛДГ). НАДф-зависимый - глюкозо-6-фосфатдегидрогеназа. А вот глутаматдегидрогеназа активна и в присутствии НАД, и в присутствии НАДФ. Изоцитратдегидрогеназа активна и в присутствии НАД и в присутствии НАДФ (в зависимости от вида изофермента). НАД (НАДФ)-зависимые ДГ катализируют следующие реакции: от субстрата под действием фермента отщепляется два протона и два электрона, акцептором которых являются НАД или НАДФ: НАД НАДН (НАДФ) (НАДФН)   SH2 S + 2H+ дегидроенза  СН СН2    СОNH2 CONH2    +Н2, + 2 е + Н(+)  N(+) – R N – R Никотинаимид (витамин РР) НАДН (НАДФН) (это фрагмент НАД или НАДФ) При недостатке витамина РР развивается пеллагра (дерматит, диарея, деменция). Обычно НАД представляет собой свободный ко-фермент, связывающийся с ДГ только в ходе реакции. Поступают НАД и НАДФ из цитоплазмы. 2) ФАД и ФМН-зависимые ДГ обычно ковалентно связаны с ДГ, так что целиком весь белок называют флавопротеидом (ФП). ко-ферменты ФАД и ФМН содержат и металлы, поэтому иногда говорят: металлофлавопротеиды. Например, сукцинат-ДГ содержит железо, ксантиноксидаза – молибден. Атомы металлов, входящих в состав этих ферментов, могут легко изменять свою валентность, присоединяя или теряя электроны. ФАД и ФМН имеют следующую структуру: Флавин – рибитол – фосфорная кислота (ФМН). Флавин – рибитол – фосфорная кислота – фосфорная кислота – рибоза – аденин (ФАД) Флавин (изоаллоксазин) + рибитл = витамин В2 (рибофлавин). Этот витамин активно участвует в окислительных процессах. При недостатке витамина В12 развивается поражение кожи, глаз и т.д. При окислении какого-то субстрата, от него ходе реакции, катализируемой этими ферментами отщепляется водород и электроны, но ФАД и ФМН, присоединяя их и при этом восстанавливаясь, очень быстро отдают их на какой-акцептор. Причем, флавиновые ферменты иногда окисляют определенные субстраты (ксантин, глицерофосфат, янтарную кислоту и т.д.), а могут окислять восстановленные формы НАДН и НАДФН. Акцептором может быть кислород (в таком случае ферменты называются оксидазы, а кислород присоединяет один или два электрона), убихинон, цитохромы и т.д. рибитол фосфорная кислота рибитол фосфорная кислота CH3  N N +2е- CH3 N NH       +2Н+, O     NH NH N || NH || СН3 O CH3 O ФМН (фрагмент) ФМН – Н2 (фрагмент) (изоаллоксазин) 3) КоQ (убихинон) – это жирорастворимое вещество. Для человека и млеопитающих n = 10, микробы – n = 6. О ОН  О – СН3 || +2Н |   СН3 +2е- Н3СО СН3 СН3  |   СН2 СН3 Н3СО СН2 – (СН2 – С – СН2)nН О –СН3 || | | | О (СН = С – СН2)nН ОН Хинон Гидрохинон Белковая цепочка и определяет гидрфобность вещества. С убихинона электроны поступают на систему цитохромов, а протоны поступают в раствор (в межмембранное пространство). 4) Белки, содержащие жыелезосероцентры. Эти белки содержат негеминовое железо, то-есть в их составе нет гема, а железо образует комплекс с белком, при этом атомы железа связаны с атомами серы. Простетические группы этих белков представлены FeS; (FeS)2; (FeS)4 и т.д. Эти белки активно участвуют в переносе электронов, который осуществляется за счет изменения валентности железа в составе железосероцентров. Точная локализация их до сих пор не установлена, также как и механизмы окисления – восстановления.  5) Система цитохромов – это белки, простетическая группа которых представлена гемом. Цитохромы («клеточные пигменты») впервые обнаружены в конце 19 века. В природе известно 25 – 30 цитохромов. Локализованы главным образом в мембранах митохондрий и в эндоплазматическом ретикулуме. Отличаются по виду белкового компоненту, по некоторому изменению белковых радикалов гема (вместо виниловой группировки изопреноидная цепь и т.д.) и по виду соединения гема с белком. Отличаются цитохромы друг от друга и по величине редокс-потенциала. Все цитохрмы поглощают свет в области 500 – 600 нм. Цитохромы разделяют на А, В, С в зависимости от редокс-потенциала и от спектра поглощения, а затем, например, В делят на В1, В2, В3 и т.д. Основная роль цитохромов – перенос электронов, что осуществляется за счет изменения валентности железа, содержащегося в геме (Fe++ Fe+++).  Цитохромоксидаза – фермент, окисляющий цитохром С, состоит из 7 субъединиц. В ее состав входит два цитохрома (А, А3), ионы меди. Молекулярная масса равна 200000 Дальтон. Осуществляет перенос электронов с цитохрома С на кислород (при этом кислород принимает сразу 4 электрона, восстанавливаясь до воды), так как в составе цитохромоксидазы два гема (А + А3). Цитохромы А и А3 очень трудно выделить в чистом виде, поэтому можно предположить, что они существуют в виде единого прочного комплекса. Другая особенность комплекса состоит в том, что ионы меди также участвуют в переносе электронов, как и ионы железа, содержащиеся в геме, входящие в состав этих ферментов. Fe++ Fe+++ + e-; Cu + Cu++ + e.  Уникальная особенность комплекса А – А3 заключается в том, что эта система цитохроиов непосредственно реагирует с молекулярным кислородом. Поэтому комплекс А – А3 и называется цитохромоксидаза. Движение электронов по дыхательной цепи возможно только в одном направлении из-за разници редокс-потенциалов у разных переносчиков: НАД/НАДН – (- 0,32 вольта); ФМН/ФМНН – (- 0,12 вольт); КоQ/KoQH – (+ 0,10 вольт); цВ – (+ 0,04 вольта); цС1 (+ 0,22 вольта); цС – (+ 0,25 вольт); цАА3 – (+ 0,29 вольт); О2 – (+0,82 вольта). Системы, которые характеризуются большим отрицательным потенциалом, способны в большей мере отдавать электроны, а системы с большим положительным потенциалом лучше присоединяют. Теперь становится понятным почему возникла именно такая последовательность реакций (НАД флавин СоQ ……цитохромы О2). Обратите внимание, что редокспотенциалы в этой последовательности (за исключением пары СоQ) постепенно становятся все более положительными. Другими словами, переносчики расположены в соответствии с их все возрастающей способностью к восстановлению. С энергетической точки зрения это означает, что каждый переносчик в своем восстановленном состоянии представляет более высокоэнергетическое соединение, чем восстановленная форма следующего в цепи переносчика. Другими словами электроны переходят на более низкий энергетический уровень. Например, если цепь начинается с НАДН, перенос электронов на первой стадии к ФМН с образованием НАД+ и ФМНН2 является энергетически выгодным процессом. Поскольку эта закономерность сохраняется вдоль всей цепи, ясно виден термодинамический принцип : переносчики электронов расположены таким образом, что каждый акт переноса происходит самопроизвольно и экзэргонически (несоответствие этому принципу пары СоQ следует рассматривать, имея в виду, что его редокс-потенциал измеряли в 95% этаноле, тогда как в клетке его следует считать приближенно равным 0,006 ). Очень важно, что участие промежуточных переносчиков электронов приводит к выделению энергии порциями. При изучении последовательности в дыхательной цепи (1960 год) были выделены 4 дыхательных комплекса, каждый из которых способен катализировать определенную часть полной последовательности реакции дыхательной цепи. В экспериментах по выделению комплексов испльзовались различные ингибиторы дыхания. 1) Комплекс №1 (НАДН – КоQ - оксидоредуктаза) – катализируют перенос электронов от НАДН к КоQ. 2) Комплекс №2 (сукцинат – КоQ – оксидоредуктаза ) – катализирует перенос электронов от сукцината (янтарной кислоты) к КоQ. 3) Комплекс №3 (КоQН – цС - оксидоредуктаза) – катализирует перенос электронов от КоQН к цС. 4) Комплекс №4 (цитохромоксидаза) - катализирует перенос электронов от цС к О2 . При выделении и изучении характеристики дыхательных компонентов появилось много данных, свидетельствующих в пользу того, что компоненты дыхательной цепи находятся во внутренней митохондриальной мембране в виде высокоупорядоченных ансамблей. Накоплены обширные данные, говорящие о том в топологии ансамблей существует отчетливая асимметрия, то-есть некоторые из белков-переносчиков расположены на одной стороне внутренней мембраны митохондрий, другие – на другой, а некоторые пронизывают мембрану насквозь. Предполагается, что такое расположение переносчиков необходимо для более эффективного улавливания химической энергии, используемой для синтеза АТФ. Для каждого компонента характерны свои ингибиторы. 1) Амитол, амобарбитал (производные барбитуровой кислоты); 2) карбоксин (окисел.); 3) антимицин А (антибиотик); 4) цианиды (соли синильной кислоты). При внутримитохондриальном окислении используется 80 – 90% всего потребляемого кислорода и в итоге восстановления кислорода образуется вода. В эпоху образования земной атмосферы (4,5 – 4,8 млрд. лет назад) в ней отсутствовал кислород. Он появился около 2 млрд. лет назад в результате деятельности фотосинтезирующих организмов, первыми из которых были сине-зеленые водоросли. А до тех пор единственными живыми существами были анаэробные бактерии. Постепенное накопление кислорода вызвало последующее развитие аэробных организмов (первые из которых появились около 1,5 млрд. лет назад). Рассматривая механизм внутримитхондриального окисления, мы убедились, что конечным акцептором электронов у аэробов является кислород. Используя кислород в качестве терминального окислителя, аэробные клетки могли получать больше энергии при окислении пищевых продуктов, например, глюкозы, поскольку субстрат в этом случае мог быть полностью окислен до углекислого газа и воды: анаэробно  Глюкоза 2лактат + 56 ккал (моль глюкозы) аэробно Глюкоза + 6 О2 6СО2 + 6НОН + 686 ккал (моль глюкозы) Поэтому аэробные организмы имели преимущество перед анаэробными и широко распространились. Некоторые (а может быть и многие) анаэробные организмы кислород просто убивал. Известно, что кислород действительно токсичен для живых организмов. Так почему же аэробные организмы способны выжить в атмосфере кислорода? В невозбужденном состоянии кислород не токсичен. Однако его электронная структура, содержащая два неспаренных электрона, накладывает ограничения на то, каким образом кислород способен выступать в роде акцептора электронов. Известно около 200 ферментов, использующих молекулярный кислород в качестве одного из субстратов. Все они разделяются на два класса в зависимости включается или нет кислород в другой субстрат в ходе такой реакции: 1) оксидазы – кислород не включается, а используются только как акцептор электронов, 2) оксигеназы – кислорд включается в другой субстрат. В свою очередь, оксидазы можно разделить: а) генерирующие воду; б) генерирующие перекись водорода. Существует также 2 типа оксигеназ: а) монооксигеназы (гидроксилазы) – включает только один атом кислорода; б) диоксигеназы включают оба атома кислорода. К первому виду оксигеназ (то-есть генерирующих воду) относится цитохромоксидаза, которая принимает участие во внутримитохондриальном окислении. Второй вид оксидаз участвует в окислении на внешней мембрне митохондрий,, а оксигеназы катализируют процессы внемитохонриального окисления. Итак, окисление субстратов присходит не только на внутренней мембране митохондрий но и на внешней мембране и внутримитохондриально. На внешней мембране окисление идет при помощи флавиноых ферментов, которые переносят электрон прямо на кислород: RH2 ФП О2. Так окисляются различные амины, некоторые аминокислоты, ксантин, дигидрооротовая кислота и т.д. При таком окислении молекула О2 присоединяет или 1 или 2 электрона (при внутримитохондриальном окислении, как мы говорили, присоединяется 4 электрона). Рассмотрим, что происходит с кислородом при различных вариантах присоединения электронов. 1)О2 + е- О2-* + Н(+) НО2* Супероксидный гидроксильный Анион-радикал радикал 2) О2 + 2е О2 (-2) + 2Н(+) Н2О2 пероксидный анион-радикал  3) О2 + 4е 2 О2 (-2) + 4Н(+) 2НОН Супероксидный радикал может участвовать и в образовании еще одной формы активного кислорода:  2О2*(-) + 2Н(+) `О2 + Н2О2 Это неферментативная обратимая реакция дает синглетный кислород (`О2). Это переходное возбужденное состояние кислорода. В свою очередь, перекись водорода при взаимодействии с железом может дать и гидроксильный радикал, самый сильный из известных окислителей: Fе++ + Н2О2 Fе+++ + ОН- + ОН* Получаемые в результате этх реакций свободные радикалы (обозначаются точкой) и активные формы килорода очень опасны, так как являются очень сильными окислителями (оксидантами). Молекулы каждого из этих видов представляют собой опасность для живых клеток вследствие повреждений, которые они способны причинить всем видам биомолекул, особенно белкам и липидам. Другими словами токсичность кислорода обусловлена токсичностью активных соединений, которые могут из него образовываться. По сути, под свободным радикалом принято понимать молекулу, или ее часть, имеющую неспаренный электрон на молекулярной или на внешней (валентной) атомной орбите, то-есть у молекулы или у атома появляется свободная валентность. Это и обуславливает высокую химическую активность свободных радикалов. Свободные радикалы не стабильны, так как они обладают большой реакционной способностью. В биологических системах свободные радикалы образуются либо в качестве нормальных продуктов обмена веществ, либо возникают при измененных условиях жизнедеятельности (при действии на клетку ионизирующего излучения, токсических веществ, многих заболеваниях). Много свободных радикалов образуется и при окислительно-восстановительных реакциях, в том числе и при работе дыхательной цепочки. То-есть в организме человека постоянно происходит процессы свободно-радикального окиления, интенсивность которых наиболее велика в липидах (особенно в фосфолипидах). Считается, что свободные радикалы составляют до ¼ от общего числа активных частиц нормально функционирующих тканей. Для свободных радикалов характерны цепные реакции, то-есть процессы, в которых участвуют свободные радикалы, вызывают цепь превращений молекул вещества, порождая новые активные свободные радикалы, легко реагирующие с другими молекулами. Часто в реакциях образования свободных радикалов принимают участие ионы металлов с переменной валентностью (чаще всего железо). Поскольку промежуточным продуктом разветвленных цепных реакций являются перекиси и скорость данных реакций зависит от их концентраций, весь это процесс называют перекисным окислением. Как видно из сказанного, свободно-радикальное окисление, хотя и имеет место при нормальных физиологических процессах, может привести к нежелательным последствиям. В норме эти радикалы могут использоваться для обновления липидов мембран, для фагоцитоза (их много в фагоцитах), для синтеза активных биологических веществ (например, простогландинов). Но их в норме мало, а при патологии их количество значительно увеличивается и они повреждают мембраны, белки, нуклеиновые кислоты и т.д. Вещества которые предотвращают развитие цепных реакций, называются антиокисданты. В организме существует мощная антиоксидантная система защиты: 1) СОД (супероксид) катализирует реакцию О2*- + О2*- О2(-2) + О2 затем О2(-2) + 2Н+ Н2О2. Эту реакцию установили в 1969 году И. Фридович и Дж. Мак-Корд. СОД обнаружена во всех типах аэробных клеток, что подтверждает ее роль в механизме самозащиты организма от токсического дейсствия кислорода. У анаэробов этот фермент отсутствует, что, вероятно, и объясняет токсичность кислорода для анаэробных клеток. В последнее время появились данные, что полиморфноядерные лейкоциты (гранулоциты) выделяют большое количество О2*- в период активности дыхательных метаболических процессов, способствующих развитию их в фагоциты, которые участвуют в переваривании и разрушении чужеродных частиц, бактерий и других клеток. Помимо уничтожения бактерий О2*-, по-видимому, повреждает другие ткани, вызывая воспалительные процессы. Так ревматоидные артриты часто сопровождаются выбросом полиморфоядерных лейкоцитов в суставную сумку. Для устранения воспалительных процессов было предложено использовать СОД как противовоспалительный препарат в виде инъекций. 2) Каталаза катализирует реакцию 2Н2О2 2Н2О + О2 Н2О2 обезвреживается и при действии пероксидаз: Н2О2 + ХН2 (пероксидаза) Х + 2Н2О. 3) Сильным антиоксиднтным действием обладают витамины: Е, С, К. 4) Некоторые аминокислоты (триптофан и фенилаланин). 5) Тиреоидные и стероидные гормоны, эстрогены. 6) Биологически активные пептиды (глютатион). 7) Серусодержащие ферменты, глютатион – S – трансфераза. Внемитохондриальное окислене проходит, в основном, в ретикуло- эндоплазматческой сети (фрагменты ретикулума называют микросомы). Часто эти процессы происходят с участием оксигеназ. Различают ди- и монооксигеназы. Работа диоксигеназ часто сопровождается разрывом циклических структур:    CH2- CH-COOH + О2 C-CH2-CH-COOH | || |  NH NH2 триптофанпиролаза O NH2 Триптофан NH-C=O | H Формилпуреин кислота. Общая формула работы диоксигеназ: R+О2 RО2. Монооксигеназы катализируют присоединение одного атома кислорода, при этом не редко образуются гидроксогруппы, поэтому их иногда называют гидроксилазы. Упрощенная схема действия монооксигеназ: RН2+О2+ХН2(ко-фактор) RНОН+НОН+Х (окисленная форма ко-фактора). В качестве ко-фактора могут выступать НАДН2, НАДФН2, аскорбиновая кислота и т.д. В этих часто принимает участие цитохромы Р450, В5, флавиновые ферменты. Важный пример монооксигеназной активности представляет группа ферментов, которые все вместе называются цитохромы Р450. В эукариотических клетках они обычно локализованы в мембранах ретикулума. Они названы так потому, что при связывании оксида углерода в их спектре появляется сильная полоса поглощения при 450 нм. Цитохромы Р450 могут действовать и на нормальные клеточные компоненты и на многие чужеродные соединения, в том числе и лекарства различной природы. Иногда цитохромы Р450 учасивуют при детоксикации различных чужеродных соединений. Однако, в некоторых случаях под действием цитохрома Р450 эти соединения превращаются в продукты с цитостатическими, мутагенными или канцерогенными свойствами. Возможно окисление с участием пероксидаз. Есть внутриклеточные образования – пероксисомы, в которых сконцентрированы пероксидазы. Механизм этого окисления: RН2 + ХООН R + НОН + ХОН. Наиболее часто в качестве пероксидазы ыступает перекись водорода: RН2 + НОН 2НОН + R Это типичная реакция для тканей. Глютатионпероксидаза окисляет глютатион. Каталаза тоже относится к пероксидазам: Н2О2 + Н2О2 (каталаза) 2Н2О + О2. Жизнь и рост клетки зависит от пищи не только, как от источника углерода, азота, серы, фосфора и других биологически необходимых элементов, но так же как от источника энергии. В отсутствии источника энергии клетка не может синтезировать многочисленные соединения, необходимые для ее жизнедеятельности, не способны к активному мембранному транспорту и не в состоянии двигаться и выполнять специальные физиологические функции, например, участвовать в сокращении мышц, передавать нервные импульсы и т.д. Описанием энергетически любой системы – живой или неживой, органической или не органической, химической, физической или биологической – занимается термодинамика. Существуют термодинамические понятия внутренней энергии (она представляет собой полную энергию системы), энтальпии (это тепловое содержание системы), энтропии (характеризует степень неупорядоченности системы), и свободной энергии (эта та энергия, которая доступна для превращения в полезную работу). Свободная энергия представляет собой термодинамический параметр, прямо связанный с химической стабильностью системы. Это означает, что высокое значение свободной энергии присуще потенциально неустойчивой системе, которая при определенных условиях самопроизвольно будет переходить на более низкий уровень свободной энергии, при этом часть энергии будет выделятся. Такая реакция является экзэргонической реакцией, она является термодинамически выгодной. Выделенная энергия может быть использована для совершения полезной работы. Если результатом реакции является переход от устойчивого состояния с низкой химической энергией к менее устойчивому состоянию с большей химической энергией, такие реакции называются эндэргоническими, они являются термодинамически невыгодными, то-есть не могут протекать самопроизвольно в отсутствии источника энергии, то-есть для ее осуществления необходимо осуществить работу. Если бы экзэргонические реакции протекали сами по себе, выделяющаяся при этом химическая энергия терялась бы, в первую очередь в виде тепла. Однако, если б она протекала одновременно с эндэрганической реакцией, выделяющаяся в ходе экзэргонической реакции энергия использовалась бы в ходе эндэргонической реакции. Такой процесс носит название энергетического сопряжения и представляет собой основной способ использования энергии в живом организме. Более доступной формой энергии, использующейся в метаболических процессах, является АТФ либо другие макроэргические соединения. При гидролизе различных связей образуется различное количество свободной энергии. Так, в процессе гидролиза связи, образованной Н3РО4 выделяется, в зависимости от субстрата, 2 – 13 ккал / моль. Те вещества, которые при расщеплении дают большое количество энергии (7 – 13 ккал / моль) называются макроэргами. Макрэргами являются АТФ, ГТФ, УТФ (то-есть все нуклеозид-трифосфаты), ацилфосфат (например, глицерол-1,3-дифосфат при гидролизе дает 11,8 ккал), тиоэфиры (основные тиолсодержащие соединения в природе – коэнзим А (КоА), линолевая кислота и белки с тиогруппой, КоА включает в себя остаток пантотеновой кислоты – очень важный витамин, гидролиз ацетил КоА равен 7,5 ккал), НАД и НАДФ, ФАД и ФМН – их восстановленные формы представляют собой высокоэнергетические соединения. К макроэргам относится креатинфосфат (при гидролизе дает 10,3 ккал), фосфоенолпируат (при гидролизе дает 14,8 ккал ). Нуклеозид-трифосфаты (НТФ) участвуют во многих реакциях синтеза. Например ЦТФ принимает участие в синтезе фосфолипидов, УТФ – в биосинтезе и взаимных превращениях углеводов, а все продуты этих процессов утилизируются затем в биосинтезе ДНК и РНК. Особую роль среди всех НТФ принадлежит АТФ. Во всех живых клетках АТФ выступает в качестве депо для хранения и переноса химической энергии. Эту функцию можно в общих чертах представить так: АТФ АДФ + фос- форная кислота. Химическая природа этих превращений проста – разрыв фосфоангидридной связи в результате гидролиза АТФ или образование этой связи в ходе фосфорилирования АДФ (синтез АТФ). Этот процесс и представляет молекулярную основу переноса химической энергии внутри всех живых клеток. При разрушении высокоэнергетических компонентов пищи (например, углеводов), освободившаяся при этом энергия идет на синтез АТФ. Если клетка нуждается в энергии (для различных синтетических процессов, сокращения мышц, транспорт через мембраны и т.д.) – АТФ гидролизуется с выделением энергии. При определении значения выделяющейся при гидролизе АТФ энергии были получены цифры от 7 до 9 ккал. Основная трудность определения этого значения заключается в том, что гидролиз АТФ очень чувствителен к изменению температуры, рН и концентрации ионов магния. В живой клетке условия чрезвычайно изменчивы, а концентрации уж никак не соответствуют стандартным условиям. Наиболее вероятным для живых клеток является значение примерно 11 ккал (или даже больше). В большенстве литературных источников используются для интерпритации значение 8 ккал. Если при гидролизе АТФ энергия выделяется, то для синтеза АТФ путем расформирования АДФ энергию необходимо затратить. На это необходимо прмерно 12 ккал / моль. Живая клетка способна регулировать свот химические процессы в ответ на изменения внутриклеточной концентрации АТФ и АДФ. На низкое содержание АТФ (из-за повышения скорости расхода энергии) клетка отвечает ускорением АТФ-синтезирующих метаболических реакций и наоборот. АТФ может синтезироваться путем субстратного фосфорилировния, однако в большинстве клеток главным процессом синтеза АТФ является окислительное фосфорилирование. |