Активные формы кислорода. Образование. Биологическое значение в норме и патологии

Министерство  здравоохранения Республики Беларусь

Гродненский медицинский

Университет

 

 

Кафедра биологической  химии

 

 

Реферат на тему:

« Активные формы кислорода. Образование. Биологическое  значение в норме и патологии»

 

 

 

 

 

 

Выполнила студентка  1 курса 12 группы

Лечебного факультета

Петрова Инга Никоглаевна

Проверила:

Шибеко С.П.

 

 

Гродно, 2012

Содержание

  1. Введение………………………………………………………………………………………………….3
  2. Активные формы кислороды………………………………………………………………….4
  3. АФК.Типы.Образование.Способы защиты……………………………………………..5
  4. Функции АФК…………………………………………………………………………………………..9
  5. Заключение…………………………………………………………………………………………….10
  6. Список использованной литературы……………………………………………………..11

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение 

Большая часть живых организмов на Земле  не может обходиться без кислорода, который играет ключевую роль в энергетике, являясь окислителем питательных  веществ. Обычно молекулярный кислород находится в относительно инертном триплетном состоянии 3О2, так как у парных электронов каждого атома кислорода спины параллельны. Активация кислорода происходит за счет изменения спина парных электронов [1, 2]. Молекулярный кислород не токсичен для клеток, однако опасность представляют продукты его неполного окисления – активные формы кислорода (АФК). 

Все живые организмы продуцируют  АФК в ходе своей обычной жизнедеятельности. Кроме того, что АФК являются вредными побочными продуктами, они играют важную роль в метаболизме живых  организмов. Патогенные бактерии и  грибы генерируют АФК для разрушения тканей организма-хозяина. Грибы, водоросли, водные организмы выделяют АФК в  окружающую среду для защиты от патогенов, сапрофитов. У высших растений и животных АФК является сигнальной молекулой, регулирует ионный транспорт. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Активные формы кислорода

Активные  формы кислорода химически очень  агрессивны: они повреждают белки и ДНК и, главное, вызывают перекисное окисление липидов - самоподдерживающийся процесс, ведущий к тяжелому повреждению мембран.

К активным формам кислорода (АФК) относятся супероксид (O2), синглетный кислород, Н2О2 и радикал гидроксила (ОН'). В организме человека и животных первичным АФК служит супероксид, возникающий при одноэлектронном восстановлении молекулярного кислорода. Супероксид превращается в Н2О2 под действием супероксиддисмугазы, а Н2О2 неферментативно дает ОН' в присутствии ионов Fe2+ или Сu+. ОН' - сильнейший окислитель (редокс-потенциал около +1,35 В), способный разрушить практически любое органическое вещество биологического происхождения. Одноэлектронное восстановление кислорода в принципе возможно за счет окисления веществ с редокс-потенциалом ниже или равным -0,15. В (редокс-потенциал пероксид). Эволюцией были отобраны соединения имеющие высокий кинетический барьер реакции с О2. Исключение составляют весьма реакционноспособные коферменты и простетические группы ферментов, действующие в начале и середине дыхательной цепи , в частности семихинон кофермента Q ( CoQH ). Будучи одноэлектронным переносчиком, CoQH' иногда по-видимому, ошибается и передает электрон не своему естественному окислителю ( цитохрому b1 ), а молекулярному кислороду.

Активные  формы кислорода могут образовываться как в результате процесса "разобщения" на цитохроме Р-450, так и при окислении некоторых эндогенных субстратов. Функций активных форм кислорода, образующихся в процессе промоции канцерогенеза, несколько:

- стимуляция митоза,

- блокирование межклеточных коммуникаций, препятствующее апоптозу,

- освобождение из ферритина ионов железа, катализирующих образование гидроксирадикалов,

- высвобождение свободной арахидоновой кислоты из мембраны с последующим ее метаболизмом на цитохроме Р-450 с образованием высокоактивных метаболитов.

Имеющаяся информация указывает на то, что  митогенный эффект и блокирование межклеточных коммуникаций при действии активных форм кислорода реализуется через общее звено посредством активации продукта гена c-src . Однако вопрос, каким образом происходит этот процесс активации, остается открытым. Существует ли специальный рецептор для активных форм кислорода - неизвестно. В настоящее время, благодаря созданию линии мышей с "нокаутированным" геном src, возможно однозначно оценить роль этого гена в биологических эффектах, вызываемых активными формами кислорода и индукторами цитохрома Р-450.

 

 

 

АФК. Типы. Образование. Способы  защиты.

АФК - это формы кислорода с чрезвычайно высокой реакционной способностью (благодаря наличию неспаренного электрона на внешнем электронном уровне), которые могут окислять практически все классы биологических молекул – белки, липиды мембран, молекулы ДНК.

К активным формам кислорода относят:

  1. 1О2 – синглетный кислород .  Может образовываться в ходе различных процессов. Поглощая квант света, пигмент переходит в возбужденное состояние: Р + СВЕТ = Р*. При столкновении с возбужденным пигментом кислород переходит в синглетное состояние : Р* + О2 = 1О2. При воздействии УФ-радиации. Продуцируется в ходе фотооксидативного стресса и при ранении. Обладает высокой реакционной способностью. Крайне не стабилен. Время жизни около 200 наносекунд(10-6 сек). Вызывает апоптоз, опухоли.
  2. О2-* - супероксид R. Способы образования: O2+e-=O2-*, в процессах фотосинтеза, ЭТЦ, мтх, O3+O2=2O2+ O2-*, В H2O растворах в присутствии ультразвука. Повреждает белки, SH-группы, ДНК
  3. H2O2 – перекись. Пути образования: 2е-+O2=H2O2, 1е-+ O2-* =H2O2. А так же при спонтанных превращениях O2-* и HO2* : HO2*+ HO2*=H2O2 +O2, HO2*+ O2-*+H2O= H2O2 +O2+OH- . Наиболее стабильна, наименее реакционноспособна.
  4. OH* - гидроксильный R. Главный путь образования: O2-*+H+=HO2*. Нейтральный, наименее реакционноспособный.
  5. HO2 – гидропероксильный R . Пути образованя: H2O2+Fe2+=Fe3++OH-+OH*(реакция Фентона), H2O2+ O2-*=O2+ OH-+OH*(реакция Хабера-Вейса). Сильный окислитель. Разрушает белки, липиды, ненасышенные двойные связи в мембранах, ДНК.
  6. ROOH – гидропероксид. АФК вызывают образование органических гидропероксидов — ДНК, белков, липидов. ROOH  образуются и в реакции с обычным молекулярным  O2 при участии ферментов диоксигеназ: .  ROOH по своей структуре подобны  H2O2 (R-O-O-H и H-O-O-H) и химически тоже активны, при последующем метаболизме они переходят в спирты, альдегиды и другие окисленные соединения. Образование  ROOH называют перекисным окислением (пероксидацией).

 

 Образование различных АФК происходит в результате получения энергии или в результате неполного восстановления молекулярного кислорода до воды.  Все активные формы кислорода легко переходят из одной в другие. 

Образование АФК в разных компартментах клетки    

Образование АФК происходит во всех частях растительной клетки. Это связано как с неферментативными (например, окислительно-восстановительные реакции фенолов, хинонов, флавинов, автоокисление гем- и SH-содержащих соединений), так и с ферментативными процессами. Значительный вклад в образование АФК вносит также функционирование цепей переноса электронов в мембранных структурах клетки.    

В электрон-транспортной цепи хлоропластах постоянно образуются синглетный кислород, супероксид радикал и в дальнейшем перекись водорода, что неразрывно связано с процессами фотосинтеза, протекающими в тилакоидной мембране (фотолиз воды, активация хлорофилла, восстановление NADP)     

     В митохондриях образование супероксид радикала, а затем и перекиси водорода сопряжено с функционированием  дыхательной электрон-транспортной цепи во внутренней митохондриальной мембране при восстановлении убихинона     

  В глиоксисомах происходит распад запасных жиров и процесс ?–окисления жирных кислот, необходимый для конверсии жиров и углеводов. Этот процесс также сопровождается образованием пероксида водорода     

АФК вызывает в липидах (L), в основном в остатках полиненасыщенных жирных кислот, цепные реакции с накоплением липидных радикалов (L*), пероксилов (LOO*), гидропероксилов (LOOH ) и алкоксилов (LO*). Реакции перекисного окисления липидов (ПОЛ) являются свободнорадикальными и постоянно происходят в организме. Свободнора-дикальное окисление нарушает структуру многих молекул. В белках окисляются некоторые аминокислоты. В результате разрушается структура белков, между ними образуются ковалент-ные "сшивки", всё это активирует протеолитические ферменты в клетке, гидролизующие повреждённые белки. Активные формы кислорода легко нарушают и структуру ДНК. Неспецифическое связывание Fe2+ молекулой ДНК облегчает образование гидроксильных радикалов, которые разрушают структуру азотистых оснований. Но наиболее подвержены действию активных форм кислорода жирные кислоты, содержащие двойные связи, расположенные через СН2-группу. Это приводит к дестабилизации клеточных мембран.

Системы защиты клеток от активных форм кислорода    

В клетках осуществляются механизмы  нейтрализации АФК, связанные с  функционированием антиоксидантной  системы (АОС).     

Биохимическая АО система условно делится на специфическую и неспецифическую:

  • специфическая АО система направлена на разрушение образующихся АФК и продуктов их дальнейших превращений;
  • неспецифическая - предотвращает условия и возможности утечки электронов и генерации АФК в ходе окислительно-восстановительных реакций (в рамках окислительного фосфорилирования) или в процессе аутоокисления субстратов (микросомальное окисление).

 

    Специфическая АО система включает:

    1. Специализированные ферментные системы;
    2. Неферментные соединения.
  1. К специфическим АО-энзимам можно отнести супероксиддисмутазу, каталазу, глутатионзависимые пероксидазы.

 

      Эта группа ферментов, локализующихся  преимущественно внутриклеточно, обладает способностью разрушать свободные радикалы, а также участвовать в разложении гидроперекисей нерадикальным путем. Энзимы антирадикальной защиты характеризуются высокой избирательностью действия, направленного против определенных радикалов, специфичностью клеточной и органной локализации, а также использованием в качестве стабилизаторов металлов переменной валентности – меди, цинка, марганца, железа.     

Супероксиддисмутаза (СОД) – ключевой фермент АО защиты; обеспечивает превращение супероксидного анион-радикала в менее активный окислитель – перекись водорода, которая элиминируется каталазой до двух молекул воды и молекулы кислорода: О2-*+О2-*+2H+=H2O2+O2. СОД содержит ион меди, ион цинка, ион железа и имидазол гистидина.  Основным местом локализации фермента является цитозоль. СОД обладает высокой термоустойчивостью, устойчивостью к действию протеаз, денатурирующих агентов, широким оптимумом рН каталитической активности. СОД – водорастворимый фермент, поэтому супероксидный радикал, генерируемый в мембране и вызывающий процессы ПОЛ, оказывается для нее малодоступным.    

Каталаза  – обеспечивает расщепление перекиси водорода до 2-х молекул воды и  кислорода: 2H2O2=2H2O+O2; из-за большого молекулярного веса практически не проникает через клеточные мембраны, локализуется в пероксисомах.    

Глутатион пероксидаза - эффективно разлагает гидрофильные гидроперекиси липидов и перекись водорода; катализирует реакцию восстановленного глутатиона с гидроперекисями липидов, при этом последние превращаются в жирные оксикислоты; восстанавливает перекиси белкового и нуклеиновокислотного происхождения; восстанавливает гидрофобные гидропероксиды с большим объемом молекулы: гидроперекиси полиненасыщенных жирных кислот – линоленовой и арахидоновой, а также фосфолипидов; восстанавливает гидроперекиси мононуклеотидов и ДНК, участвуя в их репарации.: 2H2O2=2H2O+O2. В хлп, цитозоле, мтх.

  1. Неферментные соединения АО системы.

 

    Ингибирование АФК во внеклеточном секторе путем  прямого захвата и нейтрализации  радикалов выполняют неферментные низкомолекулярные жиро- и водорастворимые АО.    

Жирорастворимые соединения АО системы:

    • вещества группы витамина Е;
    • витамины А и К, стероидные гормоны, флавоноиды;
    • полифенолы – убихинон, витамин Р.

 

    Локализованы в мембране, В митохондриях, ядре, эндоплазматическом ретикулуме и лизосомах. Защита БМ (липидную фазу), генома, взаимодействуют с большинством АФК.     

 Водорастворимая система АО  включает:

    • глутатион (нейтрализация гидроксильного радикала OH* , защищающает ферменты от окисления);
    • аскорбиновая кислота (снижает уровень супероксиданион-радикала, синглетного кислорода, гидроксильного и перекисного радикала, восстанавливает убихинон и вит Е);
    • каротиноиды (Антенная защита, фотопротекторы, инактивируют гидроксильный радикал, супероксид-анион-радикал, синглетный кислород)

 

     

Подводя итог негативного действия АФК, можно  сказать, что оксидативный стресс приводит к :

    • повреждению наиболее важных полимеров - нуклеиновых кислот, белков и липидов;
    • повреждению ДНК (окисление оснований, их модификации, разрывы цепей, повреждения хромосом);
    • Апоптозу, блокируют межклеточную коммуникацию;
    • Изменению аминокислотных остатков, нарушению третичной структуры белка;
    • ПОЛ повреждает клеточные мембраны.

 

    На  протяжении длительного времени  в биологической литературе делали акцент на вредных эффектах АФК, но теперь известно, что образование  АФК приносит и пользу, напрямую участвуя в биохимический реакциях  клетки и метаболизме всего организма.  
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Функции АФК

В тканях аэробных организмов в процессе метаболизма постоянно образуются продукты неполного восстановления кислорода. Активные формы кислорода  и радикалы синтез в организме, выполняют  не только вредные, но и множество  полезных для клетки функций. Так, образование  супероксид-аниона и гипохлорита клетками иммунной системы используется организмом при защите от инфекций и других чужеродных факторов. Для некоторых тканей, в частности, для мозга, характерен повышенный синтез простагландинов, тромбоксанов и лейкотриенов. Этот процесс требует участия супероксид-аниона, взаимодействующего с другим компонентом этой системы, арахидоновой кислотой - соединением, высвобождающимся из мембранных фосфолипидов в ходе индуцируемого АФК перекисного окисления липидов.

АФК активно участвуют в процессах  передачи клеточного сигнала. Так, например, свободные радикалы, которые образуются в цитозоле клетки в ответ на стимуляцию факторами роста, участвуют в регуляции пролиферативного. Имеется много публикаций, свидетельствующих, что активные формы кислорода стимулируют деление различных типов клеток.

Механизм, по которому активные формы кислорода  участвуют в передаче митотического  сигнала, неизвестен. Возможно, что  АФК могут активировать такие  ферменты, как митоген-активируемую киназу p38, что, в свою очередь, приводит к активации транскрипционного фактора HIF-1 и экспрессии соответствующих генов. Показано, что они включают каскад реакций, которые передают митотический сигнал при воздействии "физиологических" агентов, таких как факторы роста: активируют в клетке различные транскрипционные факторы, но наиболее эффективно - продукт гена c-jun и ядерный транскрипционный фактор NF-kB. Свободные радикалы обладают активностью, модулирующей транскрипционные факторы, как NF-kB и активирующий белок-1 (AP-1). В случае NF-kB показано, что он становится транскрипционно активным после того, как происходит опосредованная АФК деградация IkB белка, ингибирующего NF-kB. Также показана роль АФК в качестве вторичных мессенджеров в сигнальных каскадах, запускаемых такими факторами как TGF-b1, PDGF, ATII, FGF-2 и эндотелин.

Еще одной мишенью АФК может являться Na/K-АТФаза, белок, отвечающий за электрогенный транспорт ионов калия и натрия через клеточную мембрану. В нормальных условиях нейрональная Na/K-АТФаза потребляет от 15% до 40% энергии клетки, направляя ее на поддержание ионных градиентов. Избыточная активация глутаматных рецепторов и повышение уровня АФК приводит к обратимому ингибированию фермента. Известно разнонаправленное влияние глутаматных рецепторов первой и третьей групп на активность Na/K-АТФазы. Так, АФК усиливают ингибирующее влияние NMDA-рецепторов на активность Na/K-АТФазы, а mGluI предотвращают ингибирование ее NMDA - рецепторами.

 

 

 

 

 

Заключение

Таким образом, АФК является не только вредоносным  побочным продуктом  аэробного метаболизма, источником необратимых процессов, приводящих к гибели клетки, если растение не имеет  механизмов их утилизации, так же организмы  различной степени организации  научились использовать АФК в  поддержании своего метаболизма, регулировать с их помощью внутренний гомеостаз. АФК вовлечена в ряд физиологических  процессов: рост клеток, регуляция каналов активного транспорта. Также АФК принимает участие в фитоиммунитете и помогает повышать устойчивость хозяина-растения к патогенному организму.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список использованной литературы

1. А. Ленинджер "Основы биохимии" М., 1985.

2. Северин Е.С. "Биохимия" М., 2003

3. Николаев А.Я. "Биоорганическая химия" М., 2007

4. Электронные ресурсы

 

 


Активные формы кислорода. Образование. Биологическое значение в норме и патологии 📙 Реферат → 🆔 19284

Активные формы кислорода. Образование. Биологическое значение в норме и патологии 📙 Реферат → 🆔 19284

Активные формы кислорода. Образование. Биологическое значение в норме и патологии