что такое свободное окисление
Свободное окисление.
В отдельных случаях (при охлаждении организма, при утомлении, вызванном мышечной работой, при необходимости устранить из организма путем расщепления какие либо нежелательные для него вещества) может происходить полное или частичное разобщение окисления с ресинтезом АТФ. В этом случае при переносе по дыхательным ферментам пары электронов ресинтезируется не 3, а меньше молекул АТФ (или совсем не ресинтезируется). Соответственно снижается и эффективность аэробного окисления и увеличивается доля энергии, освобождающейся в виде тепла.
Электроны могут проходить по этим переносчикам весь путь от окисляемого вещества до кислорода, или только часть пути. В этом последнем случае происходит частичное разобщение окисления с ресинтезом АТФ и вместо 3 ресинтезируется 2 или 1 молекула АТФ.
При частичном разобщении окисления и фосфорилирования скорость ресинтеза АТФ может даже возрасти из-за ускорения переноса электронов по дыхательной цепи. Однако, эффективность использования энергетических субстратов и кислорода при этом заметно снижается. Для ресинтеза того же самого количества АТФ надо затрачивать больше энергетических субстратов и кислорода, чем при полном сопряжении окисления и ресинтеза АТФ.
Частичное разобщение окисления и фосфорилирования может происходить на начальных этапах напряженной мышечной работы, в процессе разминки. Происходящее при этом преобразование значительной доли освобождающейся энергии в тепло способствует разогреванию мышц и организма в целом и подготавливает его к выполнению работы.
3.10. Анаэробное окисление.
Существуют такие окислительные реакции, в которых конечным акцептором протонов и электронов (чаще всего временным) является не кислород, а какое либо другое вещество. В этом случае говорят об анаэробном биологическом окислении. Причиной включения процессов анаэробного окисления чаще всего является дефицит кислорода. Анаэробное окисление может происходить при напряженной мышечной деятельности, когда поставка к тканям кислорода неадекватна потребностям в нем. В этом случае вся система промежуточных переносчиков оказывается «забита» протонами и электронами и, чтобы процесс биологического окисления не прекращался, восстановленный НАД или НАДФ начинает передавать протоны и электроны веществам, которые могут их присоединить. Наиболее часто таким веществом оказывается пировиноградная кислота – промежуточный продукт распада углеводов, главного источника энергии при напряженной мышечной работе. Реакция протекает по уравнению, представленнгому на рис 11.
Пировиноградная кислота молочная кислота
Рис. 11. Восстановление пировиноградной кислоты в молочную в процессе анаэробного окисления
При напряженной мышечной деятельности в интенсивно работающих тканях, прежде всего в скелетных мышцах, могут образовываться значительные количества молочной кислоты.
Образовавшаяся в ходе анаэробного окисления молочная кислота при достаточном снабжении тканей кислородом может вновь отдавать протоны и электроны НАД с образованием НАД-Н2 и пировиноградной кислоты, дльнейшие превращения которых будет происходить по аэробному пути.
Антиоксиданты
АНТИОКСИДАНТЫ ПРОТИВ СВОБОДНЫХ РАДИКАЛОВ
доступным языком о сложном.
Свободные радикалы (оксиданты, окислители) — это частицы (атомы, молекулы или ионы), как правило, неустойчивые, содержащие один или несколько неспаренных электронов на внешней электронной оболочке, поэтому их молекулы обладают невероятной химической активностью. Поскольку у них есть свободное место для электрона, они всегда стремятся отнять его у других молекул, тем самым окисляя любые соединения, с которыми соприкасаются.
Антиоксиданты или противоокислители — вещества, которые ингибируют процессы окисления.
Рис. 1. Свободные радикалы повреждают оболочку клетки, вызывая преждевременную потерю ею влаги и других жизненно важных элементов.
Содержание страницы:
На протяжении всей жизни в организме человека протекает множество химических реакций, и для каждой из них требуется энергия. Для получения её организм использует разные вещества, но для её высвобождения, всегда нужен незаменимый компонент – кислород. Окисляя органические соединения, поступающие с пищей, именно он дает нам энергию и жизненные силы. Однако насколько кислород крайне необходим для нас, настолько же и опасен: даруя жизнь, он ее и отбирает.
Радикал, отнявший чужой электрон, становится неактивным и, казалось бы, выходит из игры, однако лишенная электрона (окисленная) другая молекула взамен ему сразу становится новым свободным радикалом и затем, уже она, перенимая эстафету, следом встает на путь очередного «разбоя». Даже молекулы, которые раньше всегда были инертными и ни с кем не реагировали, после такого «разбоя» запросто сами начинают вступать в новые причудливые химические реакции.
В настоящее время развитие многих болезней связывают с разрушительным действием оксидантов — свободных радикалов.
К этим болезням относятся рак, сахарный диабет, астма, артриты, атеросклероз, болезни сердца, болезнь Альцгеймера, тромбофлебиты, рассеянный склероз и другие.
Обозначение и виды свободных радикалов
Алкоксильные радикалы (RO * ). Образуются при взаимодействии с липидами и являются промежуточной формой между ROO * и O H * радикалами. Например, липидный радикал (алкоксил) LO * индуцирует ПОЛ (перекисное окисление липидов), обладает цитотоксическим и канцерогенным действием.
Таблица 1. Названия некоторых радикалов и молекул согласно рекомендациям Комиссии по Номенклатуре Неорганической Химии (1990)
Первичные, вторичные и третичные свободные радикалы.
Таблица 2. Первичные радикалы, образующиеся в нашем организме
Вторичные радикалы, в отличие от первичных, не выполняют физиологически полезных функций. Напротив, они оказывают разрушительное действие на клеточные структуры, стремясь отнять электроны у «полноценных» молекул, вследствие чего «пострадавшая» молекула сама становится свободным радикалом (третичным), но чаще всего слабым, не способным к разрушающему действию.
Таблица 3. Вторичные радикалы
ИСТОЧНИКИ СВОБОДНЫХ РАДИКАЛОВ
Источники из окружающей среды:
Это: радиация, курение, напитки с высокой окислительной способностью, хлорированная вода, загрязнение окружающей среды, окисление почвы и кислотные дожди, непомерное количество консервантов и полуфабрикатов, антибиотики и ксенобиотики, компьютеры, телевизоры, мобильники. сигаретный дым, ионизированный воздух; Высокообработанная, просроченная, испорченная еда и лекарства. Кроме всего этого свободные радикалы могут также образовываться в нормальных процессах метаболизма, под влиянием солнечных лучей (фотолиз), радиоактивного облучения (радиолиз) и даже ультразвуков.
Источники внутри организма:
В процессах образования энергии в митохондриях, например из углеродов; В процессе распада вредных жиров в организме при сжигании многонасыщенных жирных кислот; В воспалительных процессах, при нарушениях метаболизма – диабет; В продуктах обмена веществ в толстом кишечнике.
Стресс (психо-эмоциональный) также способствуют окислительному стрессу. Состояние стресса заставляет организм вырабатывать адреналин и кортизол. В больших количествах эти гормоны нарушают нормальное протекание обменных процессов и способствуют появлению свободных радикалов во всем организме.
Возникнув в них, радикалы повреждают оболочки митохондрий, а также другие внутренние структуры клетки, и это усиливает их утечку. Со временем активных форм кислорода становится там все больше и больше, в результате чего они полностью разрушают клетку и распространяются по всему организму. Как «молекулярные террористы» они хаотично «рыщут» по всем живым клеткам и, внедряясь туда, повергают вокруг себя всё в хаос. Свободные радикалы также могут еще образовываться во многих продуктах нашего питания, например, таких, как: кондитерские изделия длительных сроков хранения, мясные продукты и продукты растительного происхождения. Особенно это касается жиров, содержащих ненасыщенные жирные кислоты, которые очень легко окисляются.
Митохондрия — двумембранный сферический или эллипсоидный органоид диаметром обычно около 1 микрометра. Характерна для большинства эукариотических клеток. Энергетическая станция клетки; основная функция — окисление органических соединений и использование освобождающейся при их распаде энергии для генерации электрического потенциала, синтез а АТФ и термогенеза. Эти три процесса осуществляются за счёт движения электронов по электронно-транспортной цепи белков внутренней мембраны.
Многие из вышеперечисленных факторов нам неподвластны, что-то мы и не хотим менять, но многое мы все же в силах изменить. Во всяком случае знать своих «врагов» в лицо мы просто обязаны. Реакции с участием свободных радикалов могут являться причиной или осложнять течение многих опасных заболеваний, таких как астма, артрит, рак, диабет, атеросклероз, болезни сердца, флебиты, болезнь Паркинсона, болезнь Альцгеймера, эпилепсия, рассеянный склероз, депрессии и другие.
ВОЗДЕЙСТВИЕ СВОБОДНЫХ РАДИКАЛОВ НА ОРГАНИЗМ
Отрицательные результатов действия свободных радикалов:
Таблица 4. Некоторые заболевания, связанные с действием активных форм кислорода (Surai & Sparks, 2001)
Свободные радикалы атакуют наш организм 24 часа в сутки, но их атаки могут происходить чаще или реже. Это зависит от многих факторов. Курение, алкоголь, стрессы, неправильное питание и долгое пребывание на солнце увеличивают количество свободных радикалов, а правильный образ жизни, полноценный отдых и рациональное питание, наоборот, снижают их активность. Объектами атак свободных радикалов в организме человека преимущественно являются соединения, которые имеют двойные связи в частицах, например: белок, ненасыщенные жирные кислоты, входящие в состав клеточной оболочки, полисахариды, липиды и даже ДНК.
1. ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ДИСФУНКЦИЯ МИТОХОНДРИЙ КЛЕТКИ
Свободные радикалы вызывают повреждение наружной клеточной мембраны (разрушение рецепторного аппарата клетки и снижение чувствительности клетки к гормонам и медиаторам), ДНК (нарушают генетический код), митохондрий (нарушение энергетического обеспечения клетки).
2. ПЕРЕКИСНОЕ ОКИСЛЕНИЕ ЛИПИДОВ
Наиболее серьезным следствием появления свободных радикалов в клетке является перекисное окисление. Перекисным его называют потому, что его продуктами являются перекиси. Чаще всего по перекисному механизму окисляются ненасыщенные жирные кислоты, из которых состоят мембраны живых клеток.
Процесс перекисного окисления липидов (ПОЛ) является важной причиной накопления клеточных дефектов. Основным субстратом ПОЛ являются полиненасыщенные цепи жирных кислот (ПНЖК), входящих в состав клеточных мембран, а также липопротеинов. Их атака кислородными радикалами приводит к образованию гидрофобных радикалов, взаимодействующих друг с другом.
Вначале происходит атака сопряженных двойных связей ненасыщенных жирных кислот со стороны св. радикалов (гидроксила и гидродиоксида), что приводит к появлению липидных радикалов.
Липидный радикал может реагировать с О2 с образованием пероксильного радикала, который, в свою очередь, взаимодействует с новыми молекулами ненасыщенных жирных кислот и приводит к появлению липидных пероксидов. Скорость этих реакций зависит от активности антиоксидантной системы клетки.
При взаимодействии с комплексами железа гидроперекиси липидов превращаются в активные радикалы, продолжающие цепь окисления липидов.
Образующиеся липидные радикалы, могут атаковать молекулы белков и ДНК. Альдегидные группы этих соединений образуют межмолекулярные сшивки, что сопровождается нарушением структуры макромолекул и дезорганизует их функционирование. Окисление липидов свободными радикалами вызывает глаукому, катаракту, цирроз, ишемию и т.д.
Каждая клетка организма состоит из множества элементов, каждый из которых, да и вся она, окружены оболочками — мембранами. Ядро клетки также защищено мембраной. Таким образом до 80% массы клетки в ней могут составлять различные мембраны, а они состоят из легко окисляющихся жиров, очень слабо удерживающих электроны. Поэтому свободные радикалы наиболее легко вырывают электроны, именно, из мембран. Такое окисление называются перекисным окислением липидов.
Перекисное окисление липидов приводит к драматическим последствиям в организме − нарушаются целостность и функция самих мембран: они теряют способность нормально пропускать в клетку питательные вещества и кислород, но при этом начинают лучше пропускать болезнетворные бактерии и токсины. Такие клетки начинают плохо работать, меньше живут, плохо делятся и дают слабое, а то и вовсе генетически поврежденное потомство. Дестабилизация и нарушение барьерных функций мембран может привети к развитию катаракты, артрита, ишемии, нарушению микроциркуляции в тканях мозга. Под действием свободных радикалов возрастает содержание пигментов старения, например меламина, цероида и липофусцина, в нервах, внутренних органах, коже и сером веществе мозга. Головной мозг особо чувствителен к гиперпродукции свободных радикалов и окислительному стрессу, так как в нем содержится множество ненасыщенных жирных кислот, таких как, например, лецитин. При их окислении в мозгу повышается уровень липофусцина (липофусциновые гранулы образуются прежде всего из деградировавших (старых) митохондрий). Это один из пигментов изнашивания, избыток которого ускоряет процесс старения.
Свободно-радикальное окисление не только само по себе вызывает старение организма. Оно усугубляет течение других возрастных заболеваний, еще более ускоряя процессы старения. Изменения молекул мембран клеток, вызванные атакой свободных радикалов, оказывают разрушительное воздействие и на сердечнососудистую систему: компоненты крови становятся «липкими», стенки сосудов пропитываются липидами и холестерином, в результате возникают тромбоз, атеросклероз и другие заболевания. Дело в том, что окисленный холестерин низкой плотности (LDL-Cholesterin) сам не может проникнуть в атеросклеротическую бляшку без предварительного свободно-радикального окисления, поэтому он «прилипает» к стенкам сосудов, что и ведет к развитию атеросклероза. Таким образом, между активностью свободнорадикального окисления и прогрессированием атеросклероза существует прямая зависимость. Научные исследования показали, что у пациентов с инфарктом миокарда концентрация окисленного ЛПНП (липопротеинов низкой плотности) явно выше, чем у здоровых людей. Таким образом, свободные радикалы во многом причастны к развитию таких заболеваний, как: инфаркт, инсульт, ишемия, рак, заболевания нервной и иммунной систем, кожи.
Как уже было сказано выше, кислородсодержащие свободные радикалы опасны из-за своей способности реагировать с жирными кислотами. В результате образуются продукты «перекисного окисления липидов», или сокращенно «ПОЛ». Эти продукты обладают еще более сильным повреждающим действием, чем кислородсодержащие свободные радикалы, и некоторые из них токсичнее в тысячи раз. Промежуточные продукты распада (альдегиды, перекиси, гидроксиальдегиды, кетоны, продукты распада трикарбоновых кислот) являются высокотоксичными веществами, так как сами могут усиливать процессы перекисного окисления или вступать во взаимодействие с макромолекулами белков. Окисление липидов играет большую роль в развитии хронических заболеваний печени (гепатита, цирроза). В условиях активации процессов перекисного окисления липидов (ПОЛ) мембран гепатоцитов (клеток печени), в печени могут образоваться изменения в виде дегенерации и некроза ее клеток. Здесь следует отметить, что при ухудшении функционального состояния гепатоцитов показатели антиоксидантной активности липидов также снижаются.
Точно так же перекисное окисление может идти в маслах, которые содержат ненасыщенные жирные кислоты, и тогда масло прогоркает (перекиси липидов имеют горький вкус). Опасность перекисного окисления в том, что оно протекает по цепному механизму, т. е. продуктами такого окисления являются не только свободные радикалы, но и липидные перекиси, которые очень легко превращаются в новые радикалы. Таким образом, количество свободных радикалов, а значит, и скорость окисления лавинообразно нарастают.
3. ПОВРЕЖДЕНИЕ БЕЛКА
Таблица 5. Уровень окисленных белков в разных тканях и организмах
Свободное окисление и его биологическая роль
Цитохром Р-450
Если энергия окислительной реакции выделяется исключительно в виде тепла, то это свободное окисление. В энергетическом обеспечении функциональной активности клетки свободное окисление играет вспомогательную роль: оно служит для производства тепла и детоксикации вредных продуктов обмена веществ и ксенобиотиков.
Микросомальная система окисления
NADPH → FP1
Цитохром b5 → Цитохром Р-450
NADH → FP2 ↓
Цитохром c
NADРH и NADH являются донорами электронов для процессов гликозилирования, осуществляемых цитохромами b5 и Р-450. FP1 и FP2 являются переносчиками электронов, флавопротеинами. FP1 представляет собой NADРH-цитохром Р-450-редуктазу, а FP2 является NADРH-цитохром b5-редуктазой. С FP1 и FP2 возможен перенос электронов на цитохром c ‒ основной компонент дыхательной цепи митохондрий. В результате осуществляется межмембранный перенос электронов.
Наиболее важной реакцией микросомального окисления является гидроксилирование, сущность которого заключается во внедрении одного атома активированного кислорода в окисляемое вещество, в то время как другой его атом идет на образование воды. Таким образом, гидроксилирование протекает по монооксигеназному типу: SH ‒ окисляемый субстрат, NADРН ‒ донор электронов, SOH ‒ гидроксилированный продукт. Превращение атомов кислорода в молекулу воды и гидроксильную группу осуществляет цитохром Р-450. В некоторых клетках эта система включает еще дополнительный промежуточный переносчик электронов между редуктазой и цитохромом Р-450.
Цитохром Р-450 представляет собой комплекс белка с гемом (фосфолипидпротоген-сульфидпротеиновый комплекс). Этот гемопротеин получил свое название в связи с тем, что в восстановленной форме, присоединяя СО, он образует спектральный комплекс с максимумом поглощения при длине волны 450 нм. По высоте этого пика поглощения определяют его содержание в исследуемых образцах. В эндоплазматической сети гепатоцитов имеется много изоформ Р-450 с молекулярной массой 45-55 кДа. Цитохром Р-450 –гидрофобный белок, локализованный внутри мембраны. Простетическая группа (протопорфирин IC содержит Fe 3+ ) помещается в гидрофобной полости, активном центре цитохрома Р-450. Чем больше цитохрома Р-450 находится в мембране, тем она в лучшем состоянии. Стареющие мембраны имеют цитохром Р-420 (неактивная форма). Цитохром Р-448 отличается от цитохрома Р-450 последовательностью аминокислот и формой взаимодействия гема с белком. Цитохром Р-448 является терминальной оксидазой в системе гидроксилаз, обеспечивающих метаболизм циклических углеводородов. Наличие многих изоформ позволяет монооксигеназным системам осуществлять биотрансформацию разных липотропных ксенобиотиков.
Цитохром b5 представляет собой гемопротеин с молекулярной массой 11-13 кДа, содержит 1 моль Fe 3+ протопорфирина IХ на 1 моль апофермента. В окисленной форме цитохром b5 обладает максимумом поглощения при 412-426 нм. В отличие от Р-450, b5 локализован на поверхности эндоплазматического ретикулума. Функционально они тесно связаны и могут образовывать сложные гемопротеиновые комплексы, повышая скорость катализируемых реакций.
СВОБОДНОЕ ОКИСЛЕНИЕ: ФУНКЦИИ, ОКСИДАТИВНАЯ МОДИФИКАЦИЯ
Большая часть кислорода, потребляемого организмом, восстанавливается на терминальном участке ДЦ в результате присоединения 4-х электронов. Некоторая часть кислорода используется в реакциях свободного (не фосфорилирующего) окисления, катализируемых оксидазами, оксигеназами (эти реакции необходимы при синтезе желчных кислот, гормонов, обезвреживании ксенобиотиков), а также одновременно является токсическим веществом, в случае, если из него образуются активные формы кислорода (АФК), которые также могут работать как регуляторы. АФК образуются в результате неполного поэтапного восстановления кислорода (в результате присоединения менее 4-х электронов). При одноэлектронном восстановлении кислород превращается в супероксид. При двухэлектронном восстановлении – в пероксид водорода, при трехэлектронном – в гидроксильный радикал (самая токсичная форма). Вещества, усиливающие образование активных форм кислорода, называют прооксидантами. Ими являются: кислород, особенно гипербарический и потребляемый в огромных количествах при активации нейтрофилов и макрофагов); витамин Д и большие дозы витамина А, излучения (ультрафиолет и ионизирующее), ксенобиотики (том числе и лекарства), металлы с переменной валентностью (железо, медь). Образовавшиеся активные формы кислорода воздействуют на липиды, нуклеиновые кислоты, белки, вызывая их оксидативную модификацию, результатом которой является образование в перечисленных субстратах органических перекисей – ROOH. Оксидативная модификация молекул имеет как патологические, так и физиологические стороны.
Патологическими эффектами оксидативной модификации являются:
1. Мутации, возникающие при повреждении ДНК.
2. Нарушения функций белков, возникающие при их повреждении, что также приводит к патологии мембран.
3. Повреждение липидов, также приводящее к патологии мембран.
4. В результате всех процессов происходит повреждение и гибель клеток.
Все эти процессы могут привести к хроническому и избыточному воспалению, канцерогенезу, атеросклерозу, старению и др.
Физиологическими эффектами оксидативной модификации являются:
1. Функционирование нейтрофилов и макрофагов, приводящее к завершению фагоцитоза.
2. Синтез эйкозаноидов – гормонов, производных полиненасыщенных жирных кислот.
В организме существует эффективная система защиты – антиоксидативная система, она состоит из низкомолекулярных веществ (антиоксидантов) и ферментов. Низкомолекулярными антиоксидантами являются: трипептид глутатион, витамины С, Е, малые дозы витамина А, каротины – провитамины А, ликопин и др.
К ферментам, защищающим клетки от активных форм кислорода, относят супероксиддисмутазу, каталазу, глутатионпероксидазу. Органические перекиси разрушают глутатионпероксидаза и глутатионтрансфераза, при этом органические перекиси превращаются в спирты. Глутатионтрансфераза также может связывать токсические вещества – продукты перекисного окисления, например, альдегиды.
Супероксиддисмутаза превращает супероксид в менее токсичную перекись водорода. Перекись водорода может разрушаться ферментом каталазой до кислорода и воды. Глутатионпероксидаза – важнейший фермент, так как он разрушает как пероксид водорода, так и органические перекиси. Он катализирует восстановление пероксидов с помощью глутатиона. Сульфгидрильная группа глутатиона (GSH) служит донором электронов, и, окисляясь, образует дисульфидную форму окисленного глутатиона, в которой 2 молекулы глутатиона связаны через дисульфидную группу
Окисленный глутатион восстанавливается глутатионредуктазой:
GSSG + НАДФН + Н + » 2 GSH + НАДФ +