Биологическое окисление

Витамин РР (никотиновая кислота, никотинамид, ниацин) называют

антипеллагрическим витамином (от итал. Preventive pellagra –

«предотвращающий пеллагру»), поскольку его отсутствие является причиной

заболевания, называемого пеллагрой.

Никотиновая кислота известна давно, однако только в 1937 году она была

выделена К. Эльвегеймом из экстракта печени и было показано, что введение

никотиновой кислоты (или ее амида - никотинамида) или препаратов печени

предохраняет от развития или излечивает от пеллагры.

Никотиновая кислота представляет собой соединение пиридинового ряда,

содержащее карбоксильную группу (никотинамид отличается наличием амидной

группы).

Витамин РР мало растворим в воде (порядка 1%), но хорошо растворим в

водных растворах щелочей. Никотиновая кислота кристаллизуется в виде белых

игл.

Наиболее характерными признаками пеллагры (от итал. pelle agra

-шершавая кожа), являются поражения кожи (дерматиты), желудочно-кишечного

тракта (диарея) и нарушения нервной деятельности (деменция).

Дерматиты чаще всего симметричны и поражают те участки кожи, которые

подвержены влиянию прямых солнечных лучей: тыльную поверхность кистей рук,

шею, лицо; кожа становится красной, затем коричневой и шершавой. Поражения

кишечника выражаются в развитии анарексии, тошноты и болей в области

живота, поноса. Диарея приводит к обезвоживанию организма. Слизистая

оболочка толстого кишечника сначала воспаляется, затем изъязвляется.

Специфичными для пеллагры являются стоматиты, гингивиты, поражения языка со

вздутием и трещинами. Поражения мозга выражаются в головных болях,

головокружениях, повышенной раздражимости, депрессии и других симптомах,

включая психозы, психоневрозы, галлюцинации и другие. Симптомы пеллагры

особенно резко выражены у больных с недостаточным белковым питанием.

Установлено, что это объясняется недостатком триптофана, который является

предшественником никотинамида, частично синтезируемого в тканях человека и

животных, а также недостатком ряда других витаминов.

Витамин РР играет роль кофермента в НАД-зависимых дегидрогеназах

(участниках тканевого дыхания), метаболизме углеводов и аминокислот, НАДФ-

зависимых ферментах (пентозного шунта и синтеза липидов), НМН-зависимых

энзимах (алкогольдегидрогеназа и маликфермент). Не менее важна роль его,

как субстрата поли-АДФ-рибозилирования. Данный процесс участвует в сшивке

хромосомных разрывов и в работе репаразной системы, а также имеет (при

нехватке НАД) ключевое значение в механизме некробиоза и апоптоза клеток,

особенно – высокоаэробных.[6,2000]

Показано, что ряд дегидрогеназ используют только НАД или НАДФ, другие

могут катализировать окислительно-восстановительные реакции в присутствии

любого из них. В процессе биологического окисления НАД и НАДФ выполняют

роль промежуточных переносчиков электронов и протонов между окисляемым

субстратом и флавиновыми ферментами.

Основными источниками никотиновой кислоты и ее амида являются рис,

хлеб, картофель, мясо, печень, почки, морковь и другие продукты.[18,1989]

Микросомальное окисление.

Монооксигеназные реакции.

Живые организмы содержат группу многочисленных и разнообразных

ферментов, получивших название монооксигеназ. В типичном случае один атом

кислородной молекулы обнаруживается в новой гидроксидной группе субстрата,

другой – восстанавливается до воды в процессе реакции. В соответствии с

этим реакция должна протекать при участии фермента, субстрата, кислородаи

какого-либо восстанавливающего агента.

Допамин-(-монооксигеназа, присутствующая в мозге и в хромаффинной

ткани, катализирует гидроксилирование 3,4-диоксифенилэтиламина до

норадреналина.

Фенолмонооксигеназы имеются у бактерий, растений, насекомых, а также в

печени и коже млекопитающих. Полимеризация о-хинона, образовавшегося в

результате цепочки реакции, катализируемых этими ферментами, лежит в основе

образования меланина.[7,2000]

Диоксигеназные реакции.

Ферменты, катализирующие реакции, в которых оба атома молекулярного

кислорода встраиваются в продукты реакции, называются диоксигеназами.

Известные в настоящее время ферменты этой группы могут содержать в качестве

активной группы гем или негемовое железо, а для действия некоторых

необходим (-кетоглутарат.

Железо-(-кетоглутаратдиоксигеназы – железозависимые ферменты,

катализирующие гидроксилирование субстрата в ходе процесса, в котором (-

кетоглутарат подвергается окислительному декарбоксилированию до сукцината:

М + О2 + (-кетоглутарат[pic] М-ОН + сукцинат + СО2 [5,2000]

Цитохромы – ферменты редокс-цепи.

Дальнейший перенос электронов от КоQН2 на О2 осуществляет система

цитохромов. Данная система состоит из ряда гемсодержащих белков

(гемпротеинов), открытых в 1886 году К. Мак-Мунном. Все они имеют

простетическую геминовую группу, близкую к гему гемоглобина. Цитохромы

отличаются друг от друга не только простетической группой, но и белковыми

компонентами. Все цитохромы, особенно в восстановленной форме, имеют

характерные спектры поглощения, величины окислительно-восстановительных

потенциалов также неодинаковы.

В имеющем широкое распространение механизме гидроксилирования путем

введения одного атома кислорода функциональный атом железа находится в

гемовой группе цитохрома – цитохрома Р450. Эти цитохромы обнаруживаются в

мембранах печеночной ЭПС, в митохондриях коры надпочечников, в почечной

щеточной кайме и в плазматических мембранах различных бактерий.

Катализируемая реакция такая же, как у всех других монооксигеназ.

МН + О2 + 2е + 2Н+ (МОН + Н2О

Цитохромы Р450 из печени относятся к числу индуцируемых ферментов; это

означает, что количество присутствующего фермента может увеличиваться в 25

раз при введении одного из многочисленных чужеродных соединений, например

фенобарбитала или метилхолантрена. Цитохромы обезвреживают ксенобиотики, а

также лимитируют время, в течение которого могут сохранять свою активность

некоторые наркотики. Лечение некоторых форм острой интоксикации может быть

облегчено введением индуктора, который в этом случае вообще безвреден.

Цитохромы Р450 коры надпочечников находятся в митохондриальной

мембране, где два отдельных фермента катализируют соответственно

расщепление боковых цепей холестерина до прегненолона и реакции

гидроксилирования различных стероидов.[2,1994]

Цитохром Р450 катализирует образование гидроксильных групп при синтезе

желчных кислот, стероидных гормонов, при катаболизме ряда веществ и обмене

чужеродных соединений.

Первая, обнаруженная в микросомах электронпереносящая система – это

система восстановления цитохрома b5 за счет NADH; цитохром b5

восстанавливается NADH-цитохром b5-редуктазой, содержащей на молекуле один

FAD, который совершает циклические переходы между полностью восстановленной

и окисленной формами. Цитохром b5 прочно связан с ЭПС своей обширной

гидрофобной областью. Хотя наружная поверхность области цитохрома, где

находится гем, гидрофильна, она лежит в глубокой гидрофобной щели, причем

карбоксильные группы пропионовой кислоты ориентированы наружу.

Восстановленный цитохром b5 медленно самоокисляется с образованием

супероксидного аниона. Этот механизм может быть основным генератором

супероксида в клетках печени.[11,1989]

Пероксидазный путь использования кислорода.

Молекулярный кислород является парамагнитным, потому что он содержит

два неспаренных электрона с параллельно ориентированными спинами. Эти

электроны находятся на разных орбиталях , поскольку два электрона не могут

занимать одну и ту же орбиталь, если только их спины не противоположны.

Соответственно восстановление кислорода путем прямого введения пары

электронов в его частично заполненные орбитали невозможно без «обращения»

спина одного из двух электронов. Спиновой запрет восстановления может быть

преодолен последовательным добавлением одиночных электронов. Полное

восстановление О2 до 2Н2О требует 4 электрона; при одноэлектронном

восстановлении в качестве промежуточных продуктов возникают супероксид,

пероксид водорода и гидроксидный радикал. Эти продукты очень

реакционноспособны, и их присутствие может представлять угрозу для

целостности живых систем. На самом деле ОН – наиболее мутагенный продукт

ионизирующей радиации – представляет собой чрезвычайно мощный окислитель,

который может атаковать все органические соединения. Одноэлектронное

восстановление кислорода инициирует цепь реакций, которые ведут к

образованию ОН:

О2 + е ( О2[pic] (1)

О2[pic] + Н[pic] (НО2 (2)

О2[pic]+ НО2 + Н[pic] ( Н2О2+О2 (3) [14,1996]

Супероксид-анион, образуемый в реакции (1), может протонироваться до

гидропероксидного радикала (2). Реакция (3) представляет собой спонтанную

дисмутацию, приводящую к образованию Н2О2+О2. Совокупность этих реакций

дает основание предполагать, что любая система, продуцирующая О2[pic],

будет также вскоре содержать Н2О2.

Ксантиноксидаза, альдегидоксидаза и многочисленные флавопротеиды

образуют О2[pic] и Н2О2, что происходит и при самопроизвольном окислении

гемоглобина, ферредоксинов, восстановленных цитохромом b5 гидрохинонов,

тетрагидроптеридинов и адреналина. Угроза для клеток, возникающая из-за

реакционноспособности О2[pic]и Н2О2, устраняется действием ферментов,

эффективно обезвреживающих эти соединения.[14,1996]

Ферментативная антиоксидантная защита.

Супероксиддисмутазы катализируют реакцию

О2[pic] + О2[pic]+ 2Н[pic]( Н2О2 + О2

Эти ферменты найдены во всех дышащих клетках, а также в различных

факультативно анаэробных бактериях. Супероксиддисмутазы – металлоферменты.

Их каталитический цикл включает восстановление и окисление иона металла,

например Cu, Mn или Fe, на активном центре.

Каталазная активность наблюдается почти во всех животных клетках и

органах. Печень, эритроциты и почки – богатые источники каталаз. Эта

активность также обнаруживается во всех растительных материалах и в

большинстве микроорганизмов, кроме облигатных анаэробов. В каждом случае

каталаза, вероятно, предотвращает аккумуляцию вредного Н2О2, образуемого

при аэробном окислении восстановленных флавопротеидов и из О2[pic]. Одна

молекула каталазы может разложить 44000 молекулы Н2О2 в секунду. Фактически

фермент почти не требует энергии активации, и скорость реакции полностью

определяется диффузией. Каталаза реагирует с Н2О2 с образованием

относительно стабильного фермент-субстратного комплекса.

Хотя пероксидазы встречаются относительно редко в животных тканях, в

печени и почках обнаружена слабая пероксидазная активность. Лейкоциты

содержат вердопероксидазу, которая ответственна за пероксидазную активность

гноя. Клетки фагоцитов содержат миелопероксидазу, которая окисляет ионы

галогенов, например I[pic], до свободного галогена – эффективного

бактерицидного агента.

Каталазную и пероксидазную реакции можно записать следующим образом:

НО ОН О

+ [pic] 2Н2О +

НО ОН О

НО ОН О

+ R[pic] 2Н2О + R

НО ОН О [5,2000]

Неферментативная антиоксидантная защита.

Аскорбиновая кислота (витамин С).

Витамин С легко окисляется до дегидроаскорбиновой кислоты, которая

нестабильна в щелочной среде, в которой происходит гидролиз лактонного

кольца с образованием дикетогулоновой кислоты.

Аскорбиновая кислота необходима для различных биологических

окислительных процессов. Витамин активирует окисление n-оксифенилпирови-

ноградной кислоты гомогенатами печени. В присутствии кислорода растворы,

содержащие ферро-ионы и аскорбат, катализируют гидроксилирование ряда

соединений. Витамин является антиоксидантом, участвует в метаболизме

фенилаланина, тирозина, пептидных гормонов, в синтезе жиров и белков,

необходим для образования коллагена, способствует сохранению целостности

соединительной и остеоидной тканей, обладает антиканцерогенным действием,

предотвращая образование канцерогенных нитрозаминов, участвует в

распределении и накоплении железа.[17,1995]

Витамин Е.

Витамин был выделен из масла зародышей пшеничных зерен в 1936 году и

получил название токоферол. Семь токоферолов, производных исходного

соединения токола, найдены в природных источниках; среди них наибольшее

распространение и наибольшую биологическую активность имеет (-токоферол.

Токоферолы обозначаются греческими буквами: альфа, бета, гамма и

дельта.[18,1989]

Витамин защищает клеточные структуры от разрушения свободными

радикалами, участвует в биосинтезе гема, препятствует тромбообразованию,

участвует в синтезе гормонов, поддерживает иммунитет, обладает

антиканцерогенным эффектом, обеспечивает нормальное функционирование мышц.

Рисунок 6. Механизм действия витамина.[8,2000]

Ткани животных с недостаточностью витамина Е, особенно сердечная и

скелетные мышцы, более быстро потребляют кислород, чем ткани нормальных

животных. (-Токоферол нелегко подвергается обратимому окислению.

Увеличенное потребление кислорода мышцами при недостаточности витамина

связаны, по-видимому, с пероксидным окислением ненасыщенных жирных кислот.

В других тканях, например в печени, это приводит к нарушению структуры

митохондрий и снижению дыхания. Имеются данные о том, что пероксидное

окисление ненасыщенных жирных кислот в эндоплазматическом ретикулуме

мышечных клеток приводит к освобождению лизосомальных гидролаз, в

результате развивается мышечная дистрофия. Все проявления недостаточности

витамина представляет собой вторичные явления, обусловленные отсутствием

торможения пероксидного окисления полиненасыщенных жирных кислот.

Классическим проявлением недостаточности витамина Е у лабораторных

животных является бесплодие. У самцов наиболее ранним наблюдаемым признаком

недостаточности является неподвижность сперматозоидов. Наблюдается также

ряд других изменений: дегенерация эпителия почечных канальцев,

депигментация передних зубов. Другим проявлением недостаточности витамина Е

является гемолиз эритроцитов in vitro в присутствии пероксидов или

производных аллоксана. У крыс с продолжительной недостаточностью витамина

развивается мышечная дистрофия с явлениями прогрессирующего паралича задних

конечностей, понижается содержание креатина в мышцах, возникает

креатинурия и несколько снижается экскреция креатинина. Могут также

развиваться явления недостаточности витамина А вследствие окислительной

деструкции последнего из-за отсутствия в рационе витамина, обладающего

антиоксидантными свойствами. Проявлениями гипервитаминоза являются тошнота,

головокружение и тахикардия.[6,2000]

Витамин Р.

Витамин Р (рутин, цитрин) был выделен в 1936 году А. Сент-Дьёрдьи из

кожуры лимона. Под термином «витамин Р» объединяется группа веществ со

сходной биологической активностью: катехины, халконы, флавины и др. Все они

обладают Р-витаминной активностью и в основе их структуры лежит

дифенилпропановый углеродный «скелет» хромона или флавона (общее название

«биофлавоноиды»).

Биофлавоноиды стабилизируют основное вещество соединительной ткани

путем ингибирования гиалуронидазы, что подтверждается данными о

положительном влиянии Р-витаминных препаратов, как и аскорбиновой кислоты,

на профилактику и лечение цинги, ревматизма, ожогов и др. Эти данные

указывают на тесную функциональную связь витаминов С иР в окислительно-

восстановительных процессов организма.

При недостаточности биофлавоноидов или отсутствии их в пище повышается

проницаемость кровеносных сосудов, сопровождающаяся кровоизлияниями и

кровотечениями, отмечается также общая слабость, быстрая утомляемость и

боли в конечностях.

Основными источниками витамина являются растительные продукты питания

(в частности, овощи и фрукты), в которых содержится много витамина С.

Витаминная промышленность выпускает ряд препаратов с Р-витаминной

активностью: чайные катехины, рутин, гесперидин, нарингин и

другие.[18,1989]

Заключение.

Проблема, освещенная в данной работе, на сегодняшний день является

очень важным разделом в биохимии, где, несмотря на достигнутые успехи,

остается множество вопросов и пробелов.

Знание вопросов биоорганической химии является нужным и важным в

практике каждого врача, так как активное развитие фармакологии и появление

множества новых препаратов позволяет, зная биохимию процессов, протекающих

в организме, воздействовать на них и лечить многие заболевания на клеточном

уровне, стимулируя энергетические процессы на уровне митохондрий.

Любая внезапная смерть связана с гипоксией, которая сопровождается

накоплением в организме большого количества молочной кислоты за счет

подавления функции челночных механизмов, и как следствие - возникает

ацидоз. При гипоксии неограниченно образуются свободные радикалы и

интенсивно протекает перикисное окисление липидов с последующим необратимым

повреждением клеток. Изучение нарушений механизмов биологического окисления

и способов коррекции является важным при лечении патологий сердечно-

сосудистой и дыхательной систем, возрастных патологиях, воспалениях. Особо

важное значение имеют эти знания в реанимации, при наркозах, так как

уровень молочной кислоты значительно возрастает во время операций под

наркозом, например кетамином или этраном, под влиянием наркотических

веществ происходит разобщение процессов окисления и фосфорилирования. Вот

почему так важно иметь в распоряжении наиболее полные знания и

информативные данные, оценка которых может обеспечить максимальные

возможности прогноза течения заболевания.

Список литературы:

1. Альбертс Б., Брей Д., Льюис Дж., Рэфф М., Робертс К., Уотсон Дж.

Молекулярная биология клетки: В 3-х т.,2-е изд., пер.и доп. Т.1.

Пер. с англ. – М.: Мир, 1994 – 517 с., ил.

2. Бышевский А.Ш., Терсенов О.А. Биохимия для врача. Екатеринбург:

Издательско-полиграфическое предприятие «Уральский рабочий». -

1994 – 384 с.

3. Виноградов А.Д. Митохондриальная АТФ-синтезирующая машина:

пятнадцать лет спустя.//Биохимия. – 1999 – Т.64. Вып.11 – с.1443-

1456

4. Галкин М.А., Сыроешкин А.В. Кинетический механизм реакции синтеза

АТФ, катализируемый митохондриальной F0-F1-АТФазой.//Биохимия. –

1999 – Т.64.Вып 10 – с.1393-1403

5. Гринстейн Б., Гринстейн А. Наглядная биохимия. – М.: «Медицина»

2000 – с.68-69, 84-85

6. Зайчик А.Ш., Чурилов Л.П. Основы общей патологии. Часть 2. Основы

патохимии. – СПб. – 2000 – 384 с.

7. Козинец Г.И. Физиологические системы человека. – М.: «Триада-Х»

- 2000 – с.156-164

8. Коровина Н.А., Захарова И.Н., Заплатников А.Л. Профилактика

дефицита витаминов и микроэлементов у детей (справочное пособие

для врачей). – Москва, 2000

9. Ленинджер А. Основы биохимии. – М.: Мир – 1991 – 384 с.

10. Марри Р., Греннер Д., Мейес П., Родуэлл В. Биохимия человека: В2-

х т. Т.1.Пер с англ.: - М.: Мир – 1993 – 384 с.

11. Николаев А.Я. Биологическая химия. Учеб. для мед. спец. Вузов –

М.: Высшая школа. – 1989 – 495с.

12. Рябов Г.А. Гипоксия критических состояний. – М.: Медицина. – 1992

– 288 с.

13. Самарцев В.Н. Жирные кислоты как разобщители окислительного

фосфорилирования.// Биохимия. – 2000 – Т.65.Вып.9 – с.1173-1189

14. Скулачев В.П. Кислород в живой клетке: добро и зло.// Соросовский

образовательный журнал. – 1996 - №3 – с.4-10

15. Скулачев В.П. Эволюция биологических механизмов запасания

энергии.// Соросовский образовательный журнал. – 1997 - №5 – с.11-

19

16. Скулачев В.П. Стратегии эволюции и кислород.// Природа. – 1998 -

№12 – с.11-20

17. Тутельян В.А., Алексеева И.А. Витамины антиоксидантного ряда:

обеспеченность населения и значение в профилактике хронических

заболеваний.// Клиническая фармакология и терапия. – 1995 - №4

(1) – с.90-95

18. Шилов П.И., Яковлев Т.Н. Основы клинической витаминологии. – Л.:

Медицина – 1989 – 343 с.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5