Свободно-радикальное окисление. Системы антиоксидантной защиты

Едва ли не решающее значение в разрушении организма придаётся повреждающему действию свободных радикалов. Активные формы кислорода вызывают повреждения мембран, коллагена, ДНК, хpоматина, стpуктуpных белков, а также участвуют в эпигенетической регуляции экспрессии ядерных и митохондриальных генов, приводя к метилированию ДНК, влияют на внутpиклеточный уровень кальция, запускают каскад, ведущий к апоптозу и т.д. За 70 лет жизни человека организм производит около одной тонны радикалов кислорода, хотя только 2-5% вдыхаемого с воздухом кислорода превращается в его токсические радикалы. В митохондриях метаболизируется более 90% потребляемого аэробными клетками кислорода и образуется около 75% общего потока супероксидных радикалов в клетке.

 

В клетке крысы может возникать до 104 вызванных активными формами кислорода повреждений ДНК в день. Свободно-радикальное окисление используется в частности и для защиты организма. В организме существуют крупные мигрирующие клетки – макрофаги, которые поглощают чужеродные элементы (вирусы, бактерии, грибы, раковые клетки, жировые капельки и т.п.) и окисляют их этим способом. Но на нужды организма расходуется всего 2% свободных радикалов. Остальные 98% повреждают его. Наиболее хорошо изучено повреждающее действие их в отношении липидов. Окислительное повреждение нуклеиновых кислот приводит к одно и двух нитевым разрывам молекул, перекрёстным связям с другими молекулами. Воздействие оксидантов на белки ведёт к образованию окисленных производных аминокислот, перекрёстных связей между белками, фрагментации их на пептиды, реакции с альдегидами. В длительно сохраняющихся белках (коллагене, кристалине) оксиданты в присутствии сахаров формируют производное пентазидин, продукт перекрёстных связей между аргинином, лизином и сахарами. Этот биомаркёр старения, называемый также AGE, обнаружен у самых разных млекопитающих, включая человека. Свободнорадикальные реакции прямо или косвенно могут лежать в основе и других нейродегенеративных заболеваний, непосредственно ассоциирующихся со старением: болезни Паркинсона, бокового амиотрофического склероза и др.

Вопросы раздела

1. Свободные радикалы, образование (ферментативное, не ферментативное), виды.

2. Регуляция свободнорадикального окисления. Антиоксиданты.

3. Значение свободных радикалов в жизнедеятельности организма.

4. Способы профилактики и коррекции свободнорадикального окисления.

5. Методы исследования свободных радикалов.

6. Хемилюминесцентный анализ в биологии и медицине.

Для успешного усвоения темы и активной работы на занятии выполните следующие заданиясогласно таблице 11.

Таблица 11. Свободно-радикальное окисление

 

Задание	Указания к выполнению задания
Изучите пути образования активных форм кислорода (АФК)	Изучите сведения о супероксид-анионе (О2-): в каких реакциях он образутся и какова его биологическая роль. Охарактеризуйте пути образования и биологическую роль пероксида водорода (Н2О2). Напишите реакцию образования перекиси водорода в системе оксидаз аминокислот и ксантиноксидазы. Напишите реакции образования высокореакционных гипогалоидов (HOCl, HOBr, HOI), HOSCN с участием перекиси водорода в присутствии миелопероксидазы, пероксидазы эозинофилов и лактопероксидазы. Охарактеризуйте основной биологический эффект гипогалоидов. Охарактеризуйте основные пути образование гидроксильного радикала OH●и его биологическое днйствие. Напишите реакцию радиолиза воды. Приведите примеры реакций образования синглетного кислорода (О12). Дайте понятие процесса хемилюминесценции. Напишите реакцию образования оксида азота (II) (NO) при участии NO-синтетазы. Опишите биологические действие на нервную, сосудистую, свертывающую и фагоцитарную системы. Какова сущность хемилюминесцентного анализа в биологии и медицине.
Изучите сущность процесса перекисного окисления липидов (ПОЛ) и перекисного окисления белков (ПОБ)	1. Напишите реакции зарождения цепи радикальных реакций с образованием органических радикалов (R●). 2. Напишите реакции развития цепных реакций с остатками непредельных жирных кислот. 3. Представьте реакции обрыва цепи с образованием неактивных продуктов. 4. Что такое перекисное окисление белков? Каковы механизмы деструкции белков в ходе перекисного окисления? Обратите внимание, что окислительная модификация белков (ОМБ) играет ключевую роль в молекулярных механизмах окислительного стресса и является пусковым механизмом к окислительной деструкции других молекул (липиды, ДНК) клетки.
Объясните биологическое значение перекисного окисления липидов (ПОЛ), белков, нуклеиновых кислот.	1. Объясните, почему процесс ПОЛ связан с биологическими мембранами. 2. Охарактеризуйте участие ПОЛ в обновлении биомембран. 3. Охарактеризуйте участие ПОЛ в синтезе эйкозаноидов – простагландинов, тромбоксанов, простациклинов, лейкотриенов. 4. Перечислите факторы, стимулирующие ПОЛ с развитием окислительного стресса.
Изучите механизмы действия системы антиоксидантной защиты организма	1. Дайте определение понятию «антиоксиданты». На какие группы по механизму действия они делятся? 2. Охарактеризуйте группу «перехватчиков» органических радикалов – витамин Е (α-токоферол), убихинон (КоQ), витамин С (аскорбиновую кислоту), β-каротин, глутатион. 3. Охарактеризуйте аниоксиданты–хелатирующие соединения: церулоплазмин, ферритин-трансферин. 4. Изучите ферменты системы антиоксидантной защиты: а) супероксиддисмутазу (СОД): какие ионы металлов содержатся в составе СОД; напишите реакции, катализируемые СОД; б) каталазу: напишите реакцию, катализируемую данным ферментом; в) глутатионпероксидазу: напишите реакции, катализируемые данным ферментом; почему недостаточное поступление селена вместе с пищей ведет к снижению активности системы антиоксидантной защиты организма?

Примеры тестовых заданий

Выберите один правильный ответ

1.В ПРОЦЕССЕ НОРМАЛЬНОГО ТКАНЕВОГО ДЫХАНИЯ В МИЬТОХОНДРИЯХ КИСЛОРОД

1) полностью используется для окислительного фосфорилирования и образования АТФ

2) кислород присоединяется к органическим молекулам

3) следовые количества кислорода (менее 0,1%) образуют свободные супероксидные радикалы ·О₂ ^-

4) до 0,4-4,0 % кислорода образуют свободные супероксидные радикалы

5) до 50% кислорода образуют свободные супероксидные радикалы

 

2.МЕХАНИЗМЫ ОБРАЗОВАНИЯ СВОБОДНЫХ РАДИКАЛОВ

1) в цепи ферментов тканевого дыхания

2) в процессе микросомального окисления

3) под действием ионизирующей радиации

4) при полном восстановлении молекулярного кислорода до воды

5) все ответы правильны

 

3. НАИБОЛЕЕ РЕАКЦИОННО-СПОСОБНАЯ АКТИВНАЯ ФОРМА КИСЛОРОДА

1) синглентный кислород

2) пероксид водорода

3) пероксинитрит

4) супероксиданион радикал

5) гидроксид радикал

 

4. ФЕРМЕНТЫ, ОБЛАДАЮЩИЕ АНТИОКСИДАНТНЫМИ СВОЙСТВАМИ

1) каталаза

2) содержащая селен глутатионпероксидаза

3) пероксидаза

4) глутатион S-трансфераза

5) все эти ферменты

 

5. СУБСТРАТ КАТАЛАЗЫ

1) синглентный кислород

2) пероксид водорода

3) пероксинитрит

4) супероксиданион радикал

5) гидроксид радикал

 

6. СУПЕРОКСИДДИСМУТАЗА КАТАЛИЗИРУЕТ РЕАКЦИЮ, В ХОДЕ КОТОРОЙ ОБРАЗУЕТСЯ СЛЕДУЮЩЕЕ ХИМИЧЕСКОЕ СОЕДИНЕНИЕ

1) синглетный кислород

2) пероксид водорода

3) пероксинитрит

4) супероксиданион радикал

5) гидроксид радикал

 

7. ФЕРМЕНТЫ, ДЛЯ КОТОРЫХ СУБСТРАТОМ СЛУЖИТ ПЕРОКСИД ВОДОРОДА

1) каталаза

2) содержащая селен глутатионпероксидаза

3) пероксидаза

4) глутатион S-трансфераза

5) эти ферментов

 

8. ВЕЩЕСТВО, ОБЕЗВРЕЖИВАЮЩЕЕ СВОБОДНЫЕ РАДИКАЛЫ КИСЛОРОДА

1) глюкоза

2) фруктоза

3) сахароза

4) витамин Е

5) крахмал

Ответы

1.-4);2.-5);3.-5);4.-5);5.-2);6.-2);7.-5);8.-4)

Примеры ситуационных задач

Задача. Наследственная недостаточность NADP- оксидазы приводит к хроническому гранулематозу. Почему при этом заболевании некотоые микроорганизмы сохраняют жизнеспособность внутри фагоцитов, а их антигены вызывают в месте скопления фагоцитов клеточный иммунный ответ и формирование гранулем? Для ответа на вопрос: а) напишите схему активации кислородзависимых бактерицидных механизмов; б) объясните роль активных форм кислорода в фагоцитозе.

Ответ. а)Рисунок 10.

б) Активные формы кислорода инициируют свободнорадикальные реакции, разрушающие липиды клеточных мембран бактерий, поглощенных фагоцитами. При генетическом дефекте NADP-оксидазы в фагоцитах не образуются: супероксидный кислородный радикал, Н₂О₂ и НОСI, поэтому некоторые фагоцитированные микроорганизмы не погибают.

 

Рисунок 10. Активация кислородзависимых бактерицидных механизмов