I. Биохелаторы ионов металлов переменной валентности.
Лекция «Система антиоксидантной (АО) защиты (АОЗ) организма»
Неспецифическая окислительная модификация структуры биомолекул ведет к нарушению их целостности, возникновению деструктивных процессов. Специфическая же окислительная модификация структуры биомолекул является нормальным метаболическим процессом, который определяет определенную физиологическую функцию.
В таблицах суммированы радикальные процессы в организме, которые реализуются в норме и при патологии
| В норме | При патологии |
| необходимое звено метаболизма, обеспечивающее нормальную жизнедеятельность | неспецифическая основа патогенеза различных заболеваний |
| модификация физико-химических свойств биологических мембран | нарушение проницаемости, структуры, функций биомембран |
| защитные функции, окисление ксенобиотиков, микробицидное действие | повреждение белков, липидов, нуклеиновых кислот |
| обмен веществ, аккумуляция и трансформация энергии | нарушение биоэнергетики, регуляторных и защитных функций |
| влияние на иммунитет, передачу информации | общетоксическое и канцерогенное действие |
Регуляция свободно-радикального окисления
| Неспецифические факторы | Специфические факторы |
| механизмы, регулирующее количество и структуру субстратов окисления и их доступность | ферменты, ответственные за образование и метаболизм активных форм кислорода (СОД, каталаза …) |
| факторы, влияющие на инициаторы окисления, в частности на состояние металлов переменной валентности | системы, утилизирующие пероксидные интермедиаты |
| физико-химические свойства биологических мембраны | ловушки активных форм кислорода |
| механизмы, поддерживающие низкое содержание кислорода в тканях |
Система антиоксидантной защиты является одной из важнейших в ряду систем, направленных на поддержание целостности организма и химического постоянства его внутренней среды. Система эта включает различные молекулярные факторы, способные как предотвращать образование свободных радикалов и инициацию цепных реакций, так и ликвидировать уже образовавшиеся субстанции этой природы.
1. В составе первой группы факторов, препятствующих образованию активных производных кислорода, особое место принадлежит комплексу эндогенных соединений, обеспечивающих практическое отсутствие "свободных" ионов металлов переменной валентности в организме (биохелаторы), а также механизмам, стабилизирующим редокс-состояние связанных ионов металлов на должном восстановленном или окисленном уровне. Хотя по своему содержанию в организме ионы металлов в восстановленном состоянии и превалируют в составе биокомплексов (в гемоглобине и миоглобине), однако окисленные их формы представлены более разнообразными металлорганическими соединениями (каталаза, геминовые пероксидазы, цитохромы, трансферрин, лактоферрин, ферритины, супероксиддисмутазы и др.), что снижает возможность одноэлектронного восстановления молекулярного кислорода и пероксида водорода до соответствующих радикальных форм. То есть, это системы депонирующие, транспортирующие и хелатирующие (комплексующие) факторы инициации окислительных реакций, в основном, металлы переменной валентности (специфические и неспецифические).
2. К второй группе факторов относятся ферментные системы, утилизирующие радикалы и разрушающие пероксиды (супероксиддисмутаза, каталаза и др.).
3. Низкомолекулярные водо- и жирорастворимые, экзогеннные и эндогенные АО. Неферментативные перехватчики свободной валентности, действующие в липидной фазе – это токоферолы, каротиноиды, убихинолы, в водной среде – это, главным образом, аскорбиновая и мочевая кислота. Их антиоксидантные свойства основаны на относительно легком отрыве H-атома от молекулы ингибитора с восстановлением активного ведущего цепь радикала. При этом из молекулы антиоксиданта образуется радикал, являющийся малоактивным по отношению к субстрату, не способный вести цепь, и который разрушается, в основном, в реакциях рекомбинации. Эти молекулярные компоненты системы антиоксидантной защиты, выступают "ликвидаторами" образовавшихся активных форм кислорода.
4. Высокомолекулярные АО, улавливающие свободные радикалы с помощью функциональных групп. Такие соединения, как правило белки, могут относится к АО системе защиты организма, выполняя специфическую функцию или улавливая радикалы ввиду особенностей строения – действуя неспецифически.
I. Биохелаторы ионов металлов переменной валентности.
Основными ионами металлов, относящимися к этой группе, являются ионы железа и меди. Степень окисления не имеет принципиального значения, так как вступая во взаимодействие с интермедиатами и субстратами в организме могут образовывать редокс-циклы их взаимопревращения. Значительно реже встречаются: ионы кобальта и марганца. Ионы перечисленных металлов весьма эффективно реагируют с пероксидом водорода и органическими гидропероксидами (которые в физиологических условиях относительно устойчивые соединения), приводя к образованию радикальных интермедиатов. Последние способны инициировать в присутствии молекулярного кислорода окисление биомолекул (что уже рассматривали на лекциях), оказывая повреждающее действие на молекулярные структуры биообъектов.
Например, цикл Габера-Вейса:
или реакции прямой активации молекулярного кислорода:
Если ион металла переменной валентности находится в составе хелатного комплекса его активность в приведенных и многих других реакциях, как правило, резко снижается.
Так как в массовом отношении больше всего в организме ионов железа по сравнению с другими металлами переменной валентности, то рассмотрим пример свободного и связанного распределения именного этого иона.
1. Значительная часть ионов железа и меди после попадания в кровь из окружающей среды селективно улавливается специальными депонирующими белками и белками переносчиками: ферритин, трансферрин, церрулоплазмин, гомосидерин и другими. Такие связанные ионы металлов не способны инициировать окислительные процессы, к тому же они создают важный пул данных ионов, необходимых для образования физиологически важных молекулярных структур, например гемоглобина, миоглобина, гем-содержащих ферментов и т.д.
2. Большая часть ионов железа (в виде Fe2+) связана с протопорфириновым кольцом и входит в состав гемоглобина и миоглобина. В составе данных белков ионы железа выполняют депонирующую и транспортную функции в отношении молекулярного кислорода. Его присоединения железа и его отдачи осуществляются без изменения степени окисления. Окислительные процессы с участием оксигенированного гемоглобина практически исключены вследствие определенного гидрофобного окружения гема, которое создаётся радикалами аминокислот белка глобина. И в отличие от создаваемых условий in vitro, в нормальных физиологических условиях ими можно пренебречь.
3. Перечисленные выше ионы металлов переменной валентности могут образовывать не селективные комплексы с определёнными низкомолекулярными органическими соединениями, что известно из общих курсов органической и неорганической химии. Хелатные комплексы могут образовываться с аминокислотами, окси- и оксо-кислотами, углеводами (по аналогии с многоатомными спиртами), конденсированными системами и некоторыми другими соединениями.
4. В небольшом количестве по отношению к общему их содержанию в биообъекте, указанные выше ионы содержаться в составе важных для жизнедеятельности металло-ферментах. Таких как каталаза, супероксиддисмутаза, катехолоксидазы, лакказы, цитохрооксидазы и т.д. Также они содержатся в системе цитохромов дыхательной цепи и некоторых других электронно-транспортных системах. Суммарно содержание в таких системах ионов железа по отношению к общему количеству не превышает 1 %.
5. Также ионы железа и меди могут быть связаны с селективно и не селективно функциональными группами целого ряда биополимеров. Например, белками крови (альбумины, глобулины), гомо- и гетерополисахаридами (альгиновые кислоты, хондроэтинсульфаты, гепарин, гликоген, гиалуроновая кислота и другие).
Все эти хелатные комплексы значительно снижают концентрацию свободных ионов в биологических жидкостях организма и тем самым нивелируются реакции радикального распада гидропероксидов и активации молекулярного кислорода, которые могли бы идти с их участием. Согласно грубым оценкам, возможная теоретическая концентрация свободных ионов железа с учётом его суммарного количества в организме может достигать концентраций 10-4-10-3 М. А реально, с учетом хелатообразования эта концентрация находится в пределах 10-8-10-9 М.
Дата добавления: 2021-01-21; просмотров: 138; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!