Биологическая химия - Лелевич Владимир Валерьянович. Страница 25
Выделяют четыре типа реакций с участием кислорода (табл 11.1.).
Таблица 11.1. Типы окисления
Тип окисления
Ферменты
Основные продукты реакции
оксидазный
Оксидазы
S + Н
2
О
пероксидазный
ФАД-зависимые оксидазы
S + Н
2
О
2
диоксигеназный
Диоксигеназы
SO
2
монооксигеназный
Монооксигеназы (гидроксилазы)
SOH + H
2
O
Оксидазный тип окисления
Этот путь окисления осуществляется в процессе функционирования ЦТД. Терминальный фермент ЦТД, переносящий электроны непосредственно на кислород – цитохромоксидаза. Это основной путь потребления кислорода в организме. Он выполняет энергетическую функцию.
Пероксидазный тип окисления
Окисление субстрата путем дегидрирования. Два атома водорода переносятся на молекулу кислорода с образованием перекиси:
ФАД-зависимая оксидаза
SН2 + О2 → S + Н2О2
В этой реакции энергия окисления выделяется в виде тепла. Реакции этого типа катализируют ФАД-зависимые оксидазы (аэробные дегидрогеназы), содержащие в качестве простетической группы ФАД или ФМН. В клетке около 80 % этих ферментов сосредоточено в пероксисомах. Пероксидазный путь окисления активно протекает в лейкоцитах, макрофагах и других фагоцитирующих клетках. Образующийся пероксид водорода Н2О2 – сильный окислитель, обезвреживающий патогенные бактерии (защитная функция).
Реакция пероксидазного окисления протекает в 2 стадии:
1. Анаэробная - происходит дегидрирование восстановленного субстрата SH2, при этом протоны и электроны переносятся на ФАД (ФАД + 2Н+ → ФАДН2).
2. Аэробная - происходит окисление фермента (ФАДН2 → ФАД) кислородом (самопроизвольный процесс).
Биологическая роль оксидазного типа окисления:
1. защитная функция – в лейкоцитах и других фагоцитирующих клетках;
2. катаболизм биогенных аминов (фермент – моноаминооксидаза);
3. метаболизм аминокислот (ферменты – оксидазы D- и L-аминокислот);
4. катаболизм пуринов (фермент – ксантиноксидаза);
5. катаболизм глюкозы в растительных клетках (фермент – глюкозооксидаза).
Диоксигеназный тип окисления
В процессе диоксигеназного окисления в молекулу субстрата включаются оба атома кислорода:
Диоксигеназа
S + O2 → SO2
Диоксигеназы катализируют разрыв двойной связи в ароматическом кольце. Например: гомогентизатоксидаза катализирует расщепление ароматического кольца гомогентизиновой кислоты с образованием малеилацетоацетата.
Монооксигеназный тип окисления
Монооксигеназы (гидроксилазы) катализируют включение в субстрат одного атома молекулы кислорода. Другой атом кислорода восстанавливается до воды. Для работы монооксигеназной системы необходим кроме неполярного субстрата (SH) донор атомов водорода – косубстрат (НАДФН+Н+, ФАДН2, аскорбиновая кислота):
Гидроксил
SH + НАДФН+Н++ О2 → SОН + НАДФ+ + Н2О
Монооксигеназные реакции необходимы для:
1. специфических превращений аминокислот, например, для синтеза тирозина из фенилаланина (фермент – фенилаланингидроксилаза);
2. синтеза холестерола, желчных кислот в печени; стероидных гормонов в коре надпочечников, яичниках, плаценте, семенниках; витамина D3 в почках;
3. обезвреживания чужеродных веществ (ксенобиотиков) в печени.
Ферменты монооксигеназного пути окисления локализованы в мембранах эндоплазматического ретикулума (при гомогенизации тканей эти мембраны превращаются в микросомы – мембранные пузырьки). Поэтому монооксигеназный путь окисления называют микросомальным окислением.
Микросомальное окисление представляет короткую электронтранспортную цепь, включающую НАДФ, ФАД, ФМН, цитохром Р450.
Микросомальная система включает два фермента: цитохром Р450 и НАДФН-цитохром-Р450-редуктазу.
НАДФН-цитохром Р450 – редуктаза – флавопротеин, в качестве простетической группы содержит два кофермента ФАД и ФМН.
Цитохром Р450 – гемопротеин, содержит простетическую группу гем и участки связывания для кислорода и субстрата. Восстановленный цитохром Р450 имеет максимум поглощения при 450 нм. Выполняет две функции: связывание окисляемого субстрата и активация молекулярного кислорода.
Рис. 11.1. Схема микросомального окисления
Микросомальное окисление протекает в несколько этапов:
1. связывание в активном центре цитохрома Р450 субстрата RН;
2. присоединение первого электрона и восстановление железа в геме до Fe2+; изменение валентности железа увеличивает сродство комплекса Р450 – Fe2+∙ RH к молекуле кислорода; присоединение второго электрона к молекуле кислорода и образование неустойчивого пероксикомплекса Р450–Fe2+∙ О2-∙ RH;
3. Fe2+ окисляется, при этом электрон присоединяется к молекуле кислорода; восстановленный атом кислорода (О2-) связывает два протона (донор протонов – НАДФН+Н+) и образуется 1 молекула воды; второй атом кислорода участвует в гидроксилировании субстрата RH; гидроксилированный субстрат ROH отделяется от фермента.
В результате гидроксилирования гидрофобный субстрат становится более полярным, повышается его растворимость и возможность выведения из организма с мочой. Так окисляются многие ксенобиотики, лекарственные вещества.
В редких случаях в результате гидроксилирования токсичность соединения увеличивается. Например, при окислении нетоксичного бензпирена (содержится в табачном дыму, копченостях) образуется токсичный оксибензпирен, который является сильным концерогеном, индуцирующим злокачественное перерождение клеток.
В митохондриях содержится монооксигеназная система, которая выполняет биосинтетическую функцию: синтез холестерола; стероидных гормонов (кора надпочечников, яичники, плацента, семенники); желчных кислот (печень); образование витамина D3 (почки).
Активные формы кислорода (свободные радикалы)
В организме в результате окислительно-восстановительных реакций постоянно происходит генерация активных форм кислорода (АФК) при одноэлектронном восстановлении кислорода (молекула имеет неспаренный электрон на молекулярной или внешней атомной орбите).