Биологическая роль микросомального окисления в печени

Биологическая роль микросомального окисления

Биологическая роль микросомального окисления в печени

РОЛЬ КИСЛОРОДА В ОРГАНИЗМЕ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ОКИСЛИТЕЛЬНЫХ ПРОЦЕССОВ. ТИПЫ ОКИСЛЕНИЯ

Кислород выполняет в организме двойственную функцию, т.е. кислород может оказывать на организм как положительное, так и отрицательное действие.

Положительная роль кислорода.

Кислород принимает участие в реакциях окисления. В результате этих реакций образуется энергия (в ЦТД), многие полезные для организма вещества, а также происходит обезвреживание ксенобиотиков.

Отрицательная роль кислорода.

Кислород может образовывать свободные радикалы, которые являются токсичными для организма.

С химической точки зрения окисление представляет собой отщепление атомов водорода (или электронов) от молекулы окисляемого вещества либо внедрение кислорода в молекулу вещества.

Восстановление – это присоединение атомов водорода (или электронов).

В окислительно-восстановительных реакциях окисление одного вещества всегда сопровождается восстановлением другой сопряженной молекулы.

В реакциях окисления в организме участвуют ферменты оксидазы и оксигеназы, причем эти названия не являются синонимами. Оксидазы отщепляют водород от молекулы; при этом образуется либо вода, либо перекись водорода. Оксигеназы внедряют кислород в молекулу (диоксигеназы внедряют два атома кислорода, монооксигеназы – один атом).

Типы окисления

[attention type=red]
Кислород, поступающий в организм, используется в реакциях, составляющих 4 типа окисления.
[/attention]

1) Оксидазный тип. В этом типе окисления участвуют ферменты оксидазы, которые катализируют отщепление от субстрата двух атомов водорода. В качестве акцептора водорода выступает атом кислорода. В результате образуется вода и окисленный субстрат.

Около 90 % кислорода в клетке используется именно в этом пути окисления. Процесс происходит на внутренней мембране митохондрий, в цепи тканевого дыхания, где образуется энергия, которая запасается в виде АТФ.

2) Пероксидазный тип. В этом типе окисления участвуют ферменты, содержащие в своем составе ФАД или ФМН (ФАД- и ФМН-дегидрогеназы). Они катализируют отщепление двух атомов водорода от субстрата, но в качестве акцептора водорода выступает молекула кислорода. В результате образуется окисленный субстрат и пероксид водорода.

Оксидазы, содержащие флавиновые коферменты, участвуют в окислении пуринов (ксантиноксидаза), альдегидов (альдегиддегидрогеназа), биогенных аминов (моноаминоксидаза), ионов сульфита с образованием сульфата (сульфитоксидаза).

Перекись водорода, образующаяся в реакциях при пероксидазном типе окисления, является токсичной для организма и подвергается разрушению, главным образом, под действием каталазы. Однако, в лейкоцитах, гистиоцитах и других клетках, осуществляющих фагоцитоз, перекись водорода используется как сильный окислитель, уничтожающий патогенные бактерии.

3. Диоксигеназный тип. Ферменты диоксигеназы катализируют включение двух атомов кислорода в молекулу окисляемого вещества.

Этот путь окисления происходит при окислительном распаде ароматических соединений (разрыв ароматического кольца), например, при окислении гомогентизиновой кислоты под действием гомогентизатоксидазы при катаболизме фенилаланина и тирозина.

4. Монооксигеназный тип. Монооксигеназы внедряют один атом молекулярного кислорода в молекулу субстрата с образованием гидроксильной группы. Второй атом кислорода идет на образование воды; в качестве донора водорода при этом участвует косубстрат. Наиболее часто в роли косубстрата выступают тетрагидробиоптерин или НАДФН2.

Монооксигеназы можно разделить на две группы:

а) растворимые ферменты, локализующиеся в цитоплазме, и

б) ферменты, связанные с мембранами эндоплазматического ретикулума и локализованные в микросомах.

a) Монооксигеназы, локализованные в цитоплазме, называются также гидроксилазами. Они катализируют реакции гидроксилирования, например:

i) в синтезе адреналина, норадреналина –

ii) в синтезе меланина –

iii) при превращении фенилаланина в тирозин –

б) Монооксигеназы, локализованные в микросомах, участвуют в микросомальном окислении.

МИКРОСОМАЛЬНОЕ ОКИСЛЕНИЕ

Микросомальное окисление происходит в микросомах. Морфологически микросомы представляют собой пузырьки, которые образуются из фрагментов мембран гладкого эндоплазматического ретикулума при гомогенизации ткани.

Схема цепи микросомального окисления представлена на рис. 1. В микросомальном окислении принимает участие несколько компонентов.

1) НАДФH2 – является донором электронов для восстановления кислорода и одновременно предоставляет протоны для образования воды.

2) Флавопротеин, или ФАД-содержащий фермент, который называется НАДФH2 – цитохром P450 – редуктаза.

3) Цитохром P450. Называется так потому, что способен поглощать свет при длине волны 450 нм.

Рис. 1. Схема микросомального окисления.

ФАД-содержащий фермент, или флавопротеин, принимает 2 атома водорода (2 электрона и 2 протона) от НАДФH2 и делит поток водорода на 2 части: протоны идут на образование воды, а два электрона переносятся на цитохром Р450. Исходя из этого, название фермента НАДФН2-цитохром Р450-редуктаза означает, что фермент переносит водород от НАДФН2 с целью восстановления цитохрома Р450 (редукция – восстановление).

Цитохром P450 выполняет две важные функции:

1) связывает любой неполярный (гидрофобный) субстрат;

2) осуществляет активацию молекулярного кислорода, т.е. цитохром Р450 связывает молекулярный кислород и переносит на него два электрона, которые берутся от НАДФН2 и передаются флавопротеином далее по цепи микросомального окисления.

Таким образом, на каждую молекулу кислорода переносится два электрона, после чего цитохром Р450 делит молекулу кислорода на две неравные части.

Один атом кислорода с двумя избыточными электронами (два отрицательных заряда) идет на образование воды, т.е. соединяется с двумя протонами, выделенными в среду на уровне флавопротеина.

Другой атом кислорода внедряется в молекулу окисляемого гидрофобного субстрата.

Биологическая роль микросомального окисления

1. Микросомальное окисление играет важнейшую роль в окислении ксенобиотиков, т.е. чужеродных для организма веществ, которые попадают в кишечник per os (лекарства, пищевые красители, консерванты, яды, токсины).

В результате процесса гидроксилирования ксенобиотики становятся более гидрофильными, лучше растворяются в воде, легче подвергаются дальнейшей химической модификации с образованием безвредных или менее токсичных продуктов и легче выводятся из организма.

2. Синтезмногих полезных для организма веществ.

В стероидогенных тканях, таких как кора надпочечников, семенники, яичники микросомальное окисление используется для синтеза стероидных гормонов из холестерина.

С участием микросомального окисления в печени происходит синтез желчных кислот, в почках – образование активных форм витамина D3, в различных тканях – синтез ненасыщенных жирных кислот и простагландинов.

3. Микросомальное окисление может увеличивать токсичность некоторых веществ. Например, нетоксичный бензпирен, содержащийся в табачном дыму, приводит к образованию оксибензпирена, который является сильным канцерогеном.

АКТИВНЫЕ ФОРМЫ КИСЛОРОДА, ИХ ПОВРЕЖДАЮЩЕЕ ДЕЙСТВИЕ

Активные формы кислорода называются также кислородными свободными радикалами. Свободные радикалы – это молекулы или молекулярные фрагменты, которые содержат один или более неспаренных электронов на внешней орбитали. Свободные радикалы обозначаются точкой в верхней части символа (R·).

Молекулярный кислород может подвергаться восстановлению путем поэтапного присоединения одного электрона с образованием супероксидного радикала, перекиси водорода, гидроксильного радикала и воды:

Супероксидный радикал может принимать протон с образованием пероксидного радикала:

Полное восстановление кислорода приводит к образованию воды. Промежуточные продукты, или продукты неполного восстановления кислорода, обладают высокой реакционной способностью. Поэтому супероксидный анион, гидроксидьный радикал и пероксидный радикал называются активными формами кислорода или кислородными свободными радикалами.

Перекись водорода не является свободным радикалом. Однако, вследствие высокой реакционной способности, Н2О2 включают в группу активных форм кислорода.

Перекись водорода может восстанавливаться электроном супероксидного аниона с образованием гидроксильного радикала:

Главными свойствами активных форм кислорода являются:

1) высокая реакционная способность;

2) короткое время жизни;

3) образование новых активных форм кислорода путем цепной реакции;

4) способность оказывать повреждающее действие на ткани.

Около 2-3 % поступающего в организм кислорода превращается в кислородные радикалы и H2O2.

Активные формы кислорода постоянно образуются в организме в процессе реакций окисления субстратов, т.е. благодаря потоку электронов в цепи тканевого дыхания в митохондриях.

Ионизирующая радиация вызывает радиолиз воды и приводит к повреждению тканей путем образования гидроксильного радикала, перекиси водорода и супероксидного аниона.

Ультрафиолетовое излучение также вызывает образование кислородных радикалов, которые принимают участие в возникновении загара или солнечных ожогов.

По сравнению с активными формами кислорода перекись водорода оказывает менее выраженное повреждающее действие на ткани. Но в присутствии железа Н2О2 может образовывать гидроксильный радикал, обладающий высокой реакционной способностью (реакция Фентона):

Источник: https://poisk-ru.ru/s19942t6.html

Микросомальное окисление повышает реакционную способность молекул

Биологическая роль микросомального окисления в печени

Микросомальное окисление – это последовательность реакций с участием оксигеназ и НАДФН, приводящих к внедрению атома кислорода в состав неполярной молекулы и появлению у нее гидрофильности и повышает ее реакционную способность..

Реакции микросомального окисления осуществляются несколькими ферментами, расположенными на мембранах эндоплазматического ретикулума (в случае in vitro они называются микросомальные мембраны). Ферменты организуют короткие цепи, которые заканчиваются цитохромом P450. 

Реакции микросомального окисления относятся к реакциям фазы 1 и предназначены для придания гидрофобной молекуле полярных свойств и/или для повышения ее гидрофильности, усиления реакционной способности молекул для участия в реакциях 2 фазы. В реакциях окисления происходит образование или высвобождение гидроксильных, карбоксильных, тиоловых и аминогрупп, которые и являются гидрофильными.

Ферменты микросомального окисления располагаются в гладком эндоплазматическом ретикулуме и являются оксидазами со смешанной функцией (монооксигеназами).

Цитохром P450

Основным белком микросомального окисления является гемопротеин – цитохром Р450. В природе существует до 150 изоформ этого белка, окисляющих около 3000 различных субстратов.

Соотношение разных изоформ цитохрома Р450 различается в силу генетических особенностей.

Считается, что одни изоформы участвуют в биотрансформации ксенобиотиков, другие – метаболизируют эндогенные соединения (стероидные гормоны, простагландины, жирные кислоты и др.). 

Цитохром Р450 взаимодействует с молекулярным кислородом и включает один атом кислорода в молекулу субстрата, способствуя появлению (усилению) у нее гидрофильности, а другой – в молекулу воды. Основными его реакциями являются: 

  • окислительное деалкилирование, сопровождающееся окислением алкильной группы (метил, этил) при атомах N, O или S до альдегидной и ее отщеплением,
  • окисление (гидроксилирование) неполярных соединений с алифатическими цепями или ароматическими кольцами,
  • окисление спиртов до соответствующих альдегидов.

Работа цитохрома Р450 обеспечивается двумя ферментами:

  • НАДН‑цитохром b5‑оксидоредуктаза, содержит ФАД,
  • НАДФН‑цитохром Р450‑оксидоредуктаза, содержит ФМН и ФАД.

Схема взаиморасположения ферментов микросомального окисления и их функции

Обе оксидоредуктазы получают электроны от соответствующих восстановленных эквивалентов и передают их на цитохром Р450.

Этот белок, предварительно присоединив молекулу восстановленного субстрата, связывается с молекулой кислорода.

Получив еще один электрон, цитохром P450 осуществляет включение в состав гидрофобного субстрата первого атома кислорода (окисление субстрата). Одновременно происходит восстановление второго атома кислорода до воды. 

Последовательность реакций гидроксилирования субстратов с участием цитохрома Р450

Существенной особенностью микросомального окисления является способность к индукции или ингибированию, т.е. к изменению мощности процесса.

Индукторами являются вещества, активирующие синтез цитохрома Р450 и транскрипцию соответствующих мРНК. Они бывают

1. Широкого спектра действия, которые обладают способностью стимулировать синтез  цитохрома Р450, НАДФН-цитохром Р450-оксидоредуктазы и глюкуронилтрансферазы.

Классическим представителем являются производные барбитуровой кислоты – барбитураты,  также в эту группу входят диазепам, карбамазепин, рифампицин и др.

2. Узкого спектра действия, т.е. стимулируют одну из форм цитохрома Р450 –  ароматические полициклические углеводороды (метилхолантрен, спиронолактон), этанол.
Например, этанол стимулирует синтез изоформы Р4502Е1 (алкогольоксидаза) которая участвует в метаболизме, этанола, нитрозаминов, парацетамола и др. 
Глюкокортикоиды индуцируют изоформу Р4503А.

Ингибиторы микросомального окисления связываются с белковой частью цитохрома или с железом гема. Они делятся на:

1. Обратимые

  • прямого действия – угарный газ (СО), антиоксиданты
  • непрямого действия, т.е. влияют через промежуточные продукты своего метаболизма, которые образуют комплексы с цитохромом Р450 – эритромицин.

2. Необратимые ингибиторы – аллопуринол, аминазин, прогестерон, оральные контрацептивы, тетурам, фторурацил

Оценка реакций 1-й фазы

Оценку микросомального окисления можно проводить следующими способами:

  • определение активности микросомальных ферментов после биопсии,
  • по фармакокинетике препаратов,
  • с помощью метаболических маркеров (антипириновая проба).

Антипириновая проба

Обследуемый принимает утром натощак амидопирин из расчета 6 мг/кг веса. Собирается 4 порции мочи в интервале соответственно от 1 до 6 часов, 6-12, 12-24 и 45-48 часов. Объем мочи измеряется. Не позже, чем через 24 часа моча центрифугируется или фильтруется. Далее исследуется концентрация 4-аминоантипирина и его метаболита N-ацетил-4-аминоантипирина в моче.

Источник: https://biokhimija.ru/biohimija-pecheni/mikrosomy.html

Микросомальное окисление: совокупность реакций

Биологическая роль микросомального окисления в печени

Роль микросомального окисления в жизни организма сложно переоценить или не заметить.

Инактивация ксенобиотиков (ядовитых веществ), распад и образование гормонов надпочечников, участие в обмене белков и сохранении генетической информации – это лишь малая известная толика проблем, которые решаются благодаря микросомальному окислению. Это автономный процесс в организме, который запускается после попадания триггерного вещества и заканчивающийся с его эллиминацией.

Определение

Микросомальное окисление – это каскад реакций, входящих в первую фазу преобразования ксенобиотиков. Суть процесса заключается в гидроксилировании веществ с использованием атомов кислорода и образованием воды. Благодаря этому меняется структура первоначального вещества, а его свойства могут как подавляться, так и усиливаться.

Микросомальное окисление позволяет перейти к реакции конъюгации. Это вторая фаза преобразования ксенобиотиков, в конце которой к уже существующей функциональной группе присоединятся молекулы, вырабатываемые внутри организма. Иногда образуются промежуточные вещества, вызывающие повреждение клеток печени, некроз и онкологическое перерождение тканей.

Окисление оксидазного типа

Реакции микросомального окисления происходят вне митохондрий, поэтому на них расходуется около десяти процентов всего кислорода, попадающего в организм. Основные ферменты в этом процессе – оксидазы.

В их структуре присутствуют атомы металлов с переменной валентностью, такие как железо, молибден, медь и другие, а значит, они способны принимать электроны. В клетке оксидазы расположены в особых пузырьках (пероксисомах), которые находятся на внешних мембранах митохондрий и в ЭПР (зернистый эндоплазматический ретикулюм).

Субстрат, попадая на пероксисомы, теряет молекулы водорода, которые присоединяются к молекуле воды и образуют перекись.

Существует всего пять оксидаз:

– моноаминооксигеназа (МАО) – помогает окислять адреналин и другие биогенные амины, образующиеся в надпочечниках;

– диаминооксигеназа (ДАО) – участвует в окислении гистамина (медиатор воспаления и аллергии), полиаминов и диаминов;

– оксидаза L-аминокислот (то есть левовращающихся молекул);

– оксидаза D-аминокислот (правовращающихся молекул);

– ксантиноксидаза – окислят аденин и гуанин (азотистые основания, входящие в молекулу ДНК).

Значение микросомального окисления по оксидазному типу состоит в устранении ксенобиотиков и инактивации биологически активных веществ. Образование перекиси, оказывающей бактерицидное действие и механическое очищение в месте повреждения, является побочным явлением, которое занимает важное место среди прочих эффектов.

Окисление оксигеназного типа

Реакции оксигеназного типа в клетке также происходят на зернистом эндоплазматическом ретикулуме и на внещних оболочках митохондрий.

Для этого необходимы специфические ферменты – оксигеназы, которые мобилизуют молекулу кислорода из субстрата и внедряют ее в окисляемое вещество. Если внедряется один атом кислорода, то фермент называется монооксигеназа или гидроксилаза.

В случае внедрения двух атомов (то есть целой молекулы кислорода), фермент носит название диаксигеназа.

Реакции окисления оксигеназного типа входят в трехкомпонентный мультиферментный комплекс, который участвует в переносе электронов и протонов из субстрата с последующей активацией кислорода. Весь этот процесс происходит с участием цитохрома Р450, о котором более подробно еще будет рассказано.

Примеры реакций оксигеназного типа

Как уже упоминалось выше, монооксигеназы для окисления используют только один атом кислорода из двух, имеющихся в наличии. Второй они присоединяют к двум молекулам водорода и образуют воду. Одним из примеров такой реакции может служить образование коллагена. Донором кислорода в таком случае выступает витамин С.

Пролингидроксилаза отбирает у него молекулу кислорода и отдает его пролину, который, в свою очередь, входит в молекулу проколлагена. Этот процесс придает прочности и эластичности соединительной ткани. Когда в организме дефицит витамина С, то развивается подагра.

Она проявляется слабостью соединительной ткани, кровотечениями, гематомами, выпадением зубов, то есть качество коллагена в организме становится ниже.

Еще одним примером могут служить гидроксилазы, которые преобразуют молекулы холестерина. Это один из этапов образования стероидных гормонов, в том числе и половых.

Малоспецифичные гидроксилазы

Это гидролазы, необходимые для окисления чужеродных веществ, таких как ксенобиотики. Смысл реакций заключается в том, чтобы сделать такие вещества более податливыми для выведения, более растворимыми. Этот процесс называется детоксикацией, а происходит он по большей части в печени.

За счет включения целой молекулы кислорода в ксенобиотики производится разрыв цикла реакций и распад одного сложного вещества на несколько более простых и доступных для обменных процессов.

Активные формы кислорода

Кислород является потенциально опасным веществом, так как, по сути, окисление – это процесс горения.

В виде молекулы О2 или воды он стабилен и химически инертен, потому что его электрические уровни заполнены, и новые электроны не могут присоединиться.

Но соединения, в которых у кислорода не у всех электронов есть пара, имеют высокую реакционную способность. Поэтому их называют активными.

Такие соединения кислорода:

  1. В монооксидных реакциях образуется супероксид, который отделяется от цитохрома Р450.
  2. В оксидазных реакциях идет образование пероксидного аниона (перекиси водорода).
  3. Во время реоксигенации тканей, которые подверглись ишемии.

Самым сильным окислителем является гидроксильный радикал, он существует в свободном виде всего миллионную долю секунды, но за это время успевает пройти множество окислительных реакций. Его особенностью является то, что гидроксильный радикал воздействует на вещества только в том месте, в котором образовался, так как не может проникать через ткани.

Супероксиданион и перекись водорода

Эти вещества активны не только в месте образования, но и на некотором удалении от них, так как могут проникать через мембраны клеток.

Гидроксильная группа вызывает окисление остатков аминокислот: гистидина, цистеина и триптофана. Это приводит к инактивации ферментных систем, а также нарушению работы транспортных белков.

Кроме того, микросомальное окисление аминокислот приводит к разрушению структуры нуклеиновых азотистых оснований и, как следствие, страдает генетический аппарат клетки. Окисляются и жирные кислоты, входящие в состав билипидного слоя клеточных мембран.

Это влияет на их проницаемость, работу мембранных электролитных насосов и на расположение рецепторов.

Ингибиторы микросомального окисления – это антиоксиданты. Они содержатся в продуктах питания и вырабатываются внутри организма. Самым известным антиоксидантом является витамин Е.

Эти вещества могут сдерживать микросомальное окисление. Биохимия описывает взаимодействие между ними по принципу обратной связи. То есть чем больше оксидаз, тем сильнее они подавляются, и наоборот.

Это помогает сохранять равновесие между системами и постоянство внутренней среды.

Электротранспортная цепь

Микросомальная система окисления не имеет растворимых в цитоплазме компонентов, поэтому все ее ферменты собраны на поверхности эндоплазматического ретикулума. Эта система включает несколько белков, которые формируют электротранспортную цепь:

– НАДФ-Р450-редуктаза и цитохром Р450;

– НАД-цитохромВ5-редуктаза и цитохром В5;

– стеаторил-КоА-десатураза.

Донором электронов в подавляющем числе случаев выступает НАДФ (никотинамидадениндинуклеотидфосфа́т). Он окисляется НАДФ-Р450-редуктазой, который содержит два кофермента (ФАД и ФМН), для принятия электронов. В конце цепи ФМН окисляется при помощи Р450.

Цитохром Р450

Это фермент микросомального окисления, гем-содержащий белок. Связывает кислород и субстрат (как правило, это ксенобиотик). Название его связано с поглощением света с длинной волны в 450 нм. Биологи обнаружили его во всех живых организмах.

На данный момент описано более одиннадцати тысяч белков, входящих в систему цитохром Р450. У бактерий это вещество растворено в цитоплазме, и считается, что такая форма является наиболее эволюционно древней, чем у человека.

У нас цитохром Р450 – это пристеночный белок, зафиксированный на эндоплазматической мембране.

Ферменты данной группы участвуют в обмене стероидов, желчных и жирных кислот, фенолов, нейтрализации лекарственных веществ, ядов или наркотиков.

Свойства микросомального окисления

Процессы микросомального окисления обладают широкой субстратной специфичностью, а это, в свою очередь, позволяет обезвреживать разнообразные вещества. Одиннадцать тысяч белков цитохрома Р450 могут складываться более чем в сто пятьдесят изоформ этого фермента.

Каждая из них имеет большое количество субстратов. Это дает возможность организму избавляться практически от всех вредных веществ, которые образуются внутри него или попадают извне.

Вырабатываясь в печени, ферменты микросомального окисления могут действовать как на месте, так и на значительном удалении от этого органа.

Регуляция активности микросомального окисления

Микросомальное окисление в печени регулируется на уровне информационной РНК, а точнее ее функции – транскрипции.

Все варианты цитохрома Р450, например, записаны на молекуле ДНК, и для того чтобы он появился на ЭПР, необходимо «переписать» часть информации с ДНК на информационную РНК. Затем иРНК направляется на рибосомы, где образуются молекулы белка.

Количество этих молекул регулируется извне и зависит от объема веществ, которые необходимо деактивировать, а также от наличия необходимых аминокислот.

На данный момент описано более двухсот пятидесяти химических соединений, которые активируют в организме микросомальное окисление. К ним относятся барбитураты, ароматические углеводы, спирты, кетоны и гормоны. Несмотря на такое кажущееся разнообразие, все эти вещества липофильны (растворимы в жирах), а значит восприимчивы к цитохрому Р450.

Источник: https://FB.ru/article/268565/mikrosomalnoe-okislenie-sovokupnost-reaktsiy

Биологическая роль микросомального окисления в печени

Биологическая роль микросомального окисления в печени

РОЛЬ КИСЛОРОДА В ОРГАНИЗМЕ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ОКИСЛИТЕЛЬНЫХ ПРОЦЕССОВ. ТИПЫ ОКИСЛЕНИЯ

Кислород выполняет в организме двойственную функцию, т.е. кислород может оказывать на организм как положительное, так и отрицательное действие.

Положительная роль кислорода.

Кислород принимает участие в реакциях окисления. В результате этих реакций образуется энергия (в ЦТД), многие полезные для организма вещества, а также происходит обезвреживание ксенобиотиков.

Отрицательная роль кислорода.

Кислород может образовывать свободные радикалы, которые являются токсичными для организма.

С химической точки зрения окисление представляет собой отщепление атомов водорода (или электронов) от молекулы окисляемого вещества либо внедрение кислорода в молекулу вещества.

Восстановление – это присоединение атомов водорода (или электронов).

В окислительно-восстановительных реакциях окисление одного вещества всегда сопровождается восстановлением другой сопряженной молекулы.

В реакциях окисления в организме участвуют ферменты оксидазы и оксигеназы, причем эти названия не являются синонимами. Оксидазы отщепляют водород от молекулы; при этом образуется либо вода, либо перекись водорода. Оксигеназы внедряют кислород в молекулу (диоксигеназы внедряют два атома кислорода, монооксигеназы – один атом).

Типы окисления

[attention type=red]
Кислород, поступающий в организм, используется в реакциях, составляющих 4 типа окисления.
[/attention]

1) Оксидазный тип. В этом типе окисления участвуют ферменты оксидазы, которые катализируют отщепление от субстрата двух атомов водорода. В качестве акцептора водорода выступает атом кислорода. В результате образуется вода и окисленный субстрат.

Около 90 % кислорода в клетке используется именно в этом пути окисления. Процесс происходит на внутренней мембране митохондрий, в цепи тканевого дыхания, где образуется энергия, которая запасается в виде АТФ.

2) Пероксидазный тип. В этом типе окисления участвуют ферменты, содержащие в своем составе ФАД или ФМН (ФАД- и ФМН-дегидрогеназы). Они катализируют отщепление двух атомов водорода от субстрата, но в качестве акцептора водорода выступает молекула кислорода. В результате образуется окисленный субстрат и пероксид водорода.

Оксидазы, содержащие флавиновые коферменты, участвуют в окислении пуринов (ксантиноксидаза), альдегидов (альдегиддегидрогеназа), биогенных аминов (моноаминоксидаза), ионов сульфита с образованием сульфата (сульфитоксидаза).

Перекись водорода, образующаяся в реакциях при пероксидазном типе окисления, является токсичной для организма и подвергается разрушению, главным образом, под действием каталазы. Однако, в лейкоцитах, гистиоцитах и других клетках, осуществляющих фагоцитоз, перекись водорода используется как сильный окислитель, уничтожающий патогенные бактерии.

3. Диоксигеназный тип. Ферменты диоксигеназы катализируют включение двух атомов кислорода в молекулу окисляемого вещества.

Этот путь окисления происходит при окислительном распаде ароматических соединений (разрыв ароматического кольца), например, при окислении гомогентизиновой кислоты под действием гомогентизатоксидазы при катаболизме фенилаланина и тирозина.

4. Монооксигеназный тип. Монооксигеназы внедряют один атом молекулярного кислорода в молекулу субстрата с образованием гидроксильной группы. Второй атом кислорода идет на образование воды; в качестве донора водорода при этом участвует косубстрат. Наиболее часто в роли косубстрата выступают тетрагидробиоптерин или НАДФН2.

Монооксигеназы можно разделить на две группы:

а) растворимые ферменты, локализующиеся в цитоплазме, и

б) ферменты, связанные с мембранами эндоплазматического ретикулума и локализованные в микросомах.

a) Монооксигеназы, локализованные в цитоплазме, называются также гидроксилазами. Они катализируют реакции гидроксилирования, например:

i) в синтезе адреналина, норадреналина –

iii) при превращении фенилаланина в тирозин –

б) Монооксигеназы, локализованные в микросомах, участвуют в микросомальном окислении.

Микросомальное окисление происходит в микросомах. Морфологически микросомы представляют собой пузырьки, которые образуются из фрагментов мембран гладкого эндоплазматического ретикулума при гомогенизации ткани.

Схема цепи микросомального окисления представлена на рис. 1. В микросомальном окислении принимает участие несколько компонентов.

1) НАДФH2 – является донором электронов для восстановления кислорода и одновременно предоставляет протоны для образования воды.

2) Флавопротеин, или ФАД-содержащий фермент, который называется НАДФH2 – цитохром P450 – редуктаза.

3) Цитохром P450. Называется так потому, что способен поглощать свет при длине волны 450 нм.

Рис. 1. Схема микросомального окисления.

ФАД-содержащий фермент, или флавопротеин, принимает 2 атома водорода (2 электрона и 2 протона) от НАДФH2 и делит поток водорода на 2 части: протоны идут на образование воды, а два электрона переносятся на цитохром Р450. Исходя из этого, название фермента НАДФН2-цитохром Р450-редуктаза означает, что фермент переносит водород от НАДФН2 с целью восстановления цитохрома Р450 (редукция – восстановление).

Цитохром P450 выполняет две важные функции:

1) связывает любой неполярный (гидрофобный) субстрат;

2) осуществляет активацию молекулярного кислорода, т.е. цитохром Р450 связывает молекулярный кислород и переносит на него два электрона, которые берутся от НАДФН2 и передаются флавопротеином далее по цепи микросомального окисления.

Таким образом, на каждую молекулу кислорода переносится два электрона, после чего цитохром Р450 делит молекулу кислорода на две неравные части.

Один атом кислорода с двумя избыточными электронами (два отрицательных заряда) идет на образование воды, т.е. соединяется с двумя протонами, выделенными в среду на уровне флавопротеина.

Другой атом кислорода внедряется в молекулу окисляемого гидрофобного субстрата.

Биологическая роль микросомального окисления

1. Микросомальное окисление играет важнейшую роль в окислении ксенобиотиков, т.е. чужеродных для организма веществ, которые попадают в кишечник per os (лекарства, пищевые красители, консерванты, яды, токсины).

В результате процесса гидроксилирования ксенобиотики становятся более гидрофильными, лучше растворяются в воде, легче подвергаются дальнейшей химической модификации с образованием безвредных или менее токсичных продуктов и легче выводятся из организма.

2. Синтезмногих полезных для организма веществ.

В стероидогенных тканях, таких как кора надпочечников, семенники, яичники микросомальное окисление используется для синтеза стероидных гормонов из холестерина.

С участием микросомального окисления в печени происходит синтез желчных кислот, в почках – образование активных форм витамина D3, в различных тканях – синтез ненасыщенных жирных кислот и простагландинов.

3. Микросомальное окисление может увеличивать токсичность некоторых веществ. Например, нетоксичный бензпирен, содержащийся в табачном дыму, приводит к образованию оксибензпирена, который является сильным канцерогеном.

АКТИВНЫЕ ФОРМЫ КИСЛОРОДА, ИХ ПОВРЕЖДАЮЩЕЕ ДЕЙСТВИЕ

Активные формы кислорода называются также кислородными свободными радикалами. Свободные радикалы – это молекулы или молекулярные фрагменты, которые содержат один или более неспаренных электронов на внешней орбитали. Свободные радикалы обозначаются точкой в верхней части символа (R · ).

Молекулярный кислород может подвергаться восстановлению путем поэтапного присоединения одного электрона с образованием супероксидного радикала, перекиси водорода, гидроксильного радикала и воды:

Супероксидный радикал может принимать протон с образованием пероксидного радикала:

Полное восстановление кислорода приводит к образованию воды. Промежуточные продукты, или продукты неполного восстановления кислорода, обладают высокой реакционной способностью. Поэтому супероксидный анион, гидроксидьный радикал и пероксидный радикал называются активными формами кислорода или кислородными свободными радикалами.

Перекись водорода не является свободным радикалом. Однако, вследствие высокой реакционной способности, Н2О2 включают в группу активных форм кислорода.

Перекись водорода может восстанавливаться электроном супероксидного аниона с образованием гидроксильного радикала:

Главными свойствами активных форм кислорода являются:

1) высокая реакционная способность;

3) образование новых активных форм кислорода путем цепной реакции;

4) способность оказывать повреждающее действие на ткани.

Около 2-3 % поступающего в организм кислорода превращается в кислородные радикалы и H2O2.

Активные формы кислорода постоянно образуются в организме в процессе реакций окисления субстратов, т.е. благодаря потоку электронов в цепи тканевого дыхания в митохондриях.

Ионизирующая радиация вызывает радиолиз воды и приводит к повреждению тканей путем образования гидроксильного радикала, перекиси водорода и супероксидного аниона.

Ультрафиолетовое излучение также вызывает образование кислородных радикалов, которые принимают участие в возникновении загара или солнечных ожогов.

По сравнению с активными формами кислорода перекись водорода оказывает менее выраженное повреждающее действие на ткани. Но в присутствии железа Н2О2 может образовывать гидроксильный радикал, обладающий высокой реакционной способностью (реакция Фентона):

источник

Наряду с тканевым дыханием, в которое вовлекается от 80% до 90% потребляемого человеком кислорода, в организме постоянно протекают и другие реакции с участием кислорода, в том числе микросомальное и свободнорадикальное окисление.

Микросомальное окисление не связано с синтезом АТФ.

Механизм данного типа окисления субстрата кислородом предусматривает такое взаимодействие субстрата (S) с молекулярным кислородом, при котором один атом кислорода включается в окисляемый субстрат, другой – в молекулу воды. За счёт включения кислорода в молекуле окисляемого субстрата возникает гидроксильная группа (-ОН), поэтому данный вид окисления называется гидроксилированием.

где SН – окисляемый субстрат; А∙Н2 – донор водорода (аскорбиновая кислота или НАДФ∙Н2).

Ферменты, участвующие в оксигеназном окислении, называются гидроксилазами, либо оксигеназами. Эти ферменты содержат в активном центре ионы металлов с переменной валентностью (Fe, Cu).

Гидроксилазы могут существовать в растворимом виде в клеточном соке, или в виде специальных групп окислительных ферментов, расположенных в мембранах цитоплазматической сети печёночных клеток, митохондрий клеток коры надпочечников и т.д.

При растирании ткани фрагменты цитоплазматической сети самопроизвольно замыкаются в пузырьковидные структуры, называемые микросомами, поэтому данный тип окисления называют микросомальным. Группа окислительных ферментов микросом представляет собой циклическую цепь транспорта электронов и протонов, источником которых служит преимущественно НАДФ∙Н2.

Главным компонентом этой системы является цитохром Р450 с катионом железа (Fe 3+ ↔ Fe 2+ ) в активном центре, где начинается окисление субстратов. Название цитохрома связано с тем, что его восстановленная форма связывает оксид углерода СО и приобретает характерное поглощение света при 450 нм.

При взаимодействии цитохрома Р450 с субстратом и кислородом происходит их активация и окисление не только субстрата, но и НАДФ∙Н2. Благодаря этому цитохром Р450 отдаёт молекуле кислорода четыре электрона. В результате один из атомов кислорода внедряется по связи С-Н молекулы окисляемого субстрата, а другой – восстанавливается с образованием воды.

Биологическая роль микросомального окисления:

1. Синтез различных веществ.

Растворимые ферменты с участием аскорбиновой кислоты в качестве донора водорода осуществляют синтез адреналина и норадреналина в хромаффинной ткани; пигмента меланина из тирозина в коже, радужке и сетчатке глаза; основного белка соединительной ткани – коллагена. Ферменты микросом участвуют в образовании ненасыщенных жирных кислот; желчных кислот и стероидных гормонов надпочечников из холестерина, лейкотриенов из арахидоновой кислоты.

Источник: https://lechenie.historyam.ru/pechen/biologicheskaya-rol-mikrosomalnogo-okisleniya-v-pecheni/

Поделиться:
Нет комментариев

    Добавить комментарий

    Ваш e-mail не будет опубликован. Все поля обязательны для заполнения.