<<
>>

АКТИВАЦИЯ КИСЛОРОДА В ФЕРМЕНТАТИВНЫХ РЕАКЦИЯХ

Наличие двух неспаренных электронов существенно ограничивает реакционную спо­собность молекулярного кислорода. Однако в живых организмах в процессе эволюции выработались специализированные ферментативные системы восстановления молеку­лярного кислорода посредством переноса на него одного, двух или четырёх электронов (рис. 5). Впервые существование в живых организмах ферментов, восстанавливающих молекулярный кислород и названных оксидазами, показано Габриэлем Эмилем Бертра­
ном в конце XIX века [169].

Затем Отто Генрих Варбург обнаружил, что в состав окси- даз входят атомы металлов переменной валентности (железо), и сформулировал концеп­цию, согласно которой активация кислорода в клетках происходит посредством взаимо­действия его с железосодержащими ферментами [1038]. В 1978 г. была предпринята первая попытка составить полный каталог оксидаз [547], в который вошло 220 разных ферментов.

N0*-


1ЧО-синтаза

КаталазаПеро кси дазы

Миелопероксидаза

СГ, ВГ, Г, 8С>Г

Рис. 5. Основные пути и ферменты генерации, конверсии и утилизации активированных кисло­родных метаболитов в организме человека и животных [27, 1047]

Все ферменты, восстанавливающие молекулярный кислород, представляют собой металлопротеины с активным центром, включающим один или несколько атомов (ио­нов) металла переменной валентности (Ре, Си, Ъъ, Мп, Мо, Со). При этом активный центр с входящими в него ионами служит донором электронов для кислорода. Предло­жено несколько механизмов активации молекулярного кислорода при взаимодействии с металлопротеинами [27, 127]. Так, предполагается, что связывание 02 с ионами металла активного центра приводит к снятию энергетического вырождения 7г*-орбиталей и пере­водит молекулу кислорода из триплетного в активированное синглетное состояние [52]. Возможно также, что в активном центре происходит последовательный перенос элек­тронов на молекулярный кислород с образованием ионов О ~2 иО^', что ведёт к разрыву связи 0-0 и включению кислорода в реакцию окисления [152].

Наиболее просто понять механизм активации молекулярного кислорода при его свя­зывании с металлопротеинами можно с позиций квантовой механики, которая утвержда­ет, что перенос заряда на кислород возможен только дискретными значениями. При этом волновую функцию Ф, описывающую состояние молекулы кислорода при связывании с активным центром, можно представить в виде разложения по отдельным виртуальным состояниям [27]:

ЧЮ2связ. = Ко*ТО2 + К,^'02 + К2ЧЮ ' + К3ЧЮ г~ + К4ЧЮ2‘ + К¥ X ■

Поскольку сродство 02 к электрону гораздо больше, чем сродство ионов металлов, и его валентность равна двум, то при таком рассмотрении вклад членов, описывающих состояния 2 >, ••. и , незначителен, и ими можно пренебречь; вместе с тем нельзя не учитывать появление синглетных состояний кислорода и ’ЗД.

Интеграл по всему пространству квадрата соответствующего члена разложения характеризует время нахождения молекулы или иона кислорода в этом состоянии, что прямо зависит от структуры активного центра.

По строению активного центра все металлопротеины можно разделить на пять клас­сов. К первому классу относятся соединения, для которых в приведённом выше разло­жении определяющим является состояние ; они представлены дыхательными пиг­ментами, специализирующимися на транспорте кислорода: железосодержащие гемогло­бин и миоглобин высших животных и человека, гемоэритрин и хлорокруорин кольчатых червей и плеченогих, медьсодержащий гемоцианин моллюсков и членистоногих [85]. Преобладание виртуального состояния при связывании молекулярного кислорода с дыхательными пигментами означает, что в этом случае не происходит окисление иона металла активного центра.

Если определяющими состояниями в разложении являются » или , то мы имеем три типа оксидаз. Оксидазы первого типа, для которых при связы­вании кислорода преобладает член, соответствующий виртуальному состоянию (ксантиноксидаза, НАДФН-оксидаза), запускают реакции окисления субстрата ХН2 по схеме:

ХН2 + 202 > X + 20 2 + 2Н+

Для второй группы оксидаз преобладает состояние (ксантиноксидаза, оксида­зы аминокислот); эти ферменты катализируют перенос двух электронов на молекулу кислорода по схеме:

ХН2 + 202 >Х + Н202

Третья группа оксидаз катализирует перенос четырёх электронов на молекулу кисло-

4—

рода, в этом случае преобладает состояние , и происходит разрыв связи 0-0 с образованием двух молекул Н20 (цитохром с-оксидаза, аскорбатоксидаза). Реакцию с оксидазами третьего типа можно представить как:

2ХН2 + 02 > 2Х + 2Н20

Если при связывании молекулярного кислорода с активным центром преобладает со-

з_

стояние , это также приводит к разрыву связи 0-0 с образованием молекулы Н20 и реакционной частицы О", которая, как правило, встраивается в субстрат окисления по схеме:

X + 02 + АН2 > ХО + Н20 + А,

где АН2 - донор электронов (атомов водорода); к таким соединениям относятся оксиге­назы [52]. Хотя в большинстве случаев в окислительных реакциях данного типа проис­ходит встраивание атома кислорода в субстрат окисления, существует ряд ферментов, обладающих оксигеназной активностью и одновременно образующих радикалы: N0* (при окислении Ь-аргинина ИО-синтазой) и ОН* (при окислении арахидоновой кислоты липоксигеназой) или сходный с ними СО (при переходе гема в биливердин с участием гемоксигеназы) [242, 290, 568, 907, 1019].

Таким образом, АКМ возникают в реакциях с оксидазами, переносящими один или два электрона на молекулярный кислород с образованием О 2 и Н202, и в реакциях с

ферментами, образующими кислородные радикалы ОН#, N0*, ЯО* и др. Вместе с тем все рассмотренные металлопротеины в той или иной степени способны нарабатывать АКМ. Так, показано образование О 2 при переходе оксигемоглобина в метгемоглобин [840, 1068]. Цитохром с-оксидаза в определённых условиях проявляет карбонмонооксигеназ- ную активность [722]; при ряде нарушений цепи переноса электронов служит достаточ­но эффективным источником АКМ, что может индуцировать канцерогенез и старение организма [141]; в норме в митохондриях мозга и печени крыс О 2 нарабатывается со скоростью около 0,2 нмоль/мин на 1 мг белка [11]. При окислении НАДФН микросомы интактной печени крыс генерировали Н202 со скоростью 6 нмоль/мин на 1 мг белка, а О 2 - 2,0 нмоль/мин на 1 мг белка [11] (по другой оценке - 3,2 нмоль/мин/мг белка [820]), при этом в электронтранспортной цепи цитохрома Р450 наблюдается образование ОН* [68, 505, 820], кроме того, монооксигеназы могут работать как оксидазы и восста­навливать молекулярный кислород до двух молекул воды [413]. Одно-, двух- и трёх­электронное восстановление молекулярного кислорода с образованием О 2, Н202 и ОН* показано при работе очищенной ЫО-синтазы [470, 791], при этом в условиях недостатка Ь-аргинина фермент окисляет НАДФН с образованием О 2 без существенной продукции

Ж)-радикалов [427, 933]. Ксантиноксидаза также выступает источником О^, Н202, ОН* [587, 707, 883, 1047] и, возможно, синглетного кислорода [128, 717]. В условиях недос­татка НАД+ ксантиндегидрогеназа восстанавливает молекулярный кислород с образова­нием О 2» Н202, ОН*, N0* и пероксинитрита [461, 871]. При ишемии ксантиноксидаза

способна НАДФН-зависимо восстанавливать нитриты с образованием N0* [1103, 1104].

В последнее время получены данные, что организм может использовать возможность генерации АКМ в реакциях с большинством металлопротеинов. Так, одним из вероят­ных механизмов туморицидного действия фактора некроза опухоли является нарушение функции митохондриальной цитохром с-оксидазы, что проявляется в ингибировании конечного IV комплекса цепи переноса электронов и одновременно стимулировании активности сукцинатдегидрогеназы, переносящей электроны на коэнзим (3, который, в свою очередь, реагирует с 02 с образованием О 2 [601, 623]. Такой энергетический дис­баланс в митохондриях, приводящий к возникновению АКМ и развитию окислительного стресса, вызывает радикальные нарушения мембран клеток и ДНК и, как следствие, за­канчивается гибелью опухолевых клеток [619]. В основе противоопухолевого действия хинонных препаратов также лежит их способность генерировать АКМ в результате окисления-восстановления с участием митохондриальных и микросомальных цепей пе­реноса электронов [21, 119, 793].

Рассмотренные выше механизмы генерации АКМ показывают, что в живых организ­мах существуют два принципиально разных источника АКМ: радикальные окислитель­ные реакции и металлопротеиновые ферментативные системы. В обоих случаях молеку­лярный кислород выступает акцептором электронов, а появление АКМ является резуль­татом неполного восстановления молекулы 02. Поэтому обширный класс активированных кислородных метаболитов можно определить следующим образом: АКМ - высокореакционные, преимущественно радикальные, кислородные соеди­нения, образующиеся в живых организмах в результате неполного восстановления молекулярного кислорода или изменения спина одного из его электронов, находя­щихся на внешних орбиталях.

<< | >>
Источник: Меныцикова Е. Б. и др.. Окислительный стресс. Прооксиданты и антиоксиданты / Е.Б. Меныцикова, В.З. Ланкин, Н.К. Зенков, И.А. Бондарь, Н.Ф. Круговых, В.А. Труфакин. - М.: Фирма «Слово»,2006. - 556 с.. 2006

Еще по теме АКТИВАЦИЯ КИСЛОРОДА В ФЕРМЕНТАТИВНЫХ РЕАКЦИЯХ:

  1. Ферментативная активность.
  2. МЕТОД СЖИГАНИЯ В КОЛБЕ С КИСЛОРОДОМ
  3. Определение максимального потребления кислорода (МПК)
  4. Активация протеаз
  5. Активация лимфоцитов
  6. Фактор активации тромбоцитов
  7. ИНГИБИРОВАНИЕ, АКТИВАЦИЯ И ИНДУКЦИЯ ФЕРМЕНТОВ
  8. Фактор активации тромбоцитов
  9. Активация мембранного рецептора
  10. БИОЛОГИЧЕСКАЯ АКТИВАЦИЯ ЛЕКАРСТВ
  11. Вторичные передатчики при активации лимфоцитов
  12. СРАВНИТЕЛЬНАЯ ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ НЕКОТОРЫХ ОБРАЗЦОВ МЕТАЛЛОВ НА ФУНКЦИЮ АКТИВАЦИИ ГОЛОВНОГО МОЗГА ЧЕЛОВЕКА
  13. Реакции I фазы
  14. Воспалительные реакции
  15. РЕАКЦИИ И МЕХАНИЗМЫ КАТАЛИЗА
  16. ПАТОХИМИЧЕСКАЯ СТАДИЯ РАЗВИТИЯ ХИМЕРГИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ
  17. Реакция Артюса