Студопедия

Главная страница Случайная страница

Разделы сайта

АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника






Перекись водорода






Перекись водорода является продуктом двухэлектронного восстановления кислорода:

Н+

О2 + 2 е- → Н2О2

 

|

2рπ * ­ ­ | ­¯ ­¯

|

3О2 Н2О2

Схема электронного строения 2р-подуровня молекулы кислорода и перекиси водорода

Перекись водорода – это стабильный продукт восстановления кислорода, является окислителем средней силы, легко проникает через мембраны и может мигрировать в клетки и ткани.

Несмотря на хорошую проницаемость мембран для Н2О2, ее внутриклеточная концентрация в 8-10 раз ниже внеклеточной, что связано с работой ферментов, катаболизирующих Н2О2.

Время жизни и радиус диффузии Н2О2 зависят от активности каталазы, глутатионпероксидазы, пероксиредоксинов, которые метаболизируют гидропероксид водорода.

В аэробных организмах главными эндогенными источниками Н2О2 служат:

- ферментативные реакции с оксидазами, переносящими два электрона на кислород (ксантиноксидаза, оксидазы L-аминокислот, моноаминооксидаза, цитохром Р-450 и др.);

- реакции дисмутации, катализируемые СОД:

СОД

О2 . + О2 . → Н2О2 + О2

2Н+

В клетках эукариот ферменты, вырабатывающие Н2О2, локализованы главным образом в пероксисомах. Это внутриклеточные структуры, окруженные однослойной мембраной, которые содержат более 50 ферментов, катализирующих различные процессы, в том числе синтез и катаболизм Н2О2. Среди ферментов, синтезирующих Н2О2, - ацил-КоА-оксидазы, оксидазы Д-аминокислот, ксантиноксидаза, ферменты пероксисом, расщепляющие Н2О2, - это каталаза, GSH-пероксидаза, пероксиредоксин I.

Перекись водорода обладает не только цитотоксическим и деструктивным действием, но в живых системах она является важнейшим регулятором и сигнальной молекулой.

При концентрации больше 1 мМ Н2О2 проявляет цитотоксические эффекты:

- Н2О2 – источник ОН-радикалов, обладающих наибольшим деструктивным потенциалом:

Н2О2 + Fe2+ → ОН. + ОН- + Fe3+

Н2О2 + О2 . → ОН. + ОН- + 1О2

Н2О2 является субстратом ферментативных реакций образования гипогалогенитов, которые катализируют миелопероксидаза (МПО), эозинпероксидаза (ЭПО), лактопероксидаза (ЛПО):

МПО, ЭПО

Н2О2 + х- + Н+ → НОХ + Н2О, где х- - Cl-, I-, Br-, SCN-

ЛПО

- Н2О2 в милимолярных концентрациях вызывает гибель в культуре фибробластов, гепатоцитов, гладкомышечных клеток.

Н2О2 индуцирует апоптоз опухолевых клеток, эндотелиоцитов, NK-клеток, Т-лимфоцитов ВИЧ-инфицированных людей.

Механизмы цитотоксического действия Н2О2 довольно разнообразны. Показано, что в опытах in vitro Н2О2 в концентрациях 0, 1-2, 5 мМ вызывает однонитевые разрывы ДНК. Под действием Н2О2 в клетках наблюдается снижение интенсивности гликолиза, индукция процессов ПОЛ, продукты которого обладают разнообразными повреждающими эффектами.

- Наработка Н2О2 в фагосоме и очаге воспаления приводит к закислению среды и выходу Fe2+ из ферритина, трансферрина. Н2О2 вызывает деградацию гемовых белков, что приводит к высвобождению Fe2+ из гемоглобина и миоглобина. Присутствие Fe2+ увеличивает токсичность Н2О2 в 10-1000 раз (за счет генерации ОН-радикала).

Смесь Н2О2 и внеэритроцитарного гемоглобина (ВЭГ) в сыворотке или плазме крови называют «биологическим реактивом Фентона», т.к. Fe2+ в свободном состоянии, а также в составе ВЭГ, гема, гемина является мощным прооксидантом.

- Н2О2 в сублетальных концентрациях (1-50 мМ) нарушает статус эндотелиальных клеток: повышается синтез фактора активации тромбоцитов, усиливается секреция простагландинов Е2 и I2, снижается связывание фактора некроза опухоли; повышается адгезия тромбоцитов и нейтрофилов к эндотелию;

- Отравление Н2О2 на уровне целого организма приводит к газовой эмболии повышению активности ядер блуждающего нерва, что приводит к нарушению дыхания и гибели.

Однако известные живые организмы, способные нарабатывать и хранить высокие концентрации Н2О2. Например, жук-бомбардир, защищаясь, выбрасывает едкую жидкость при температуре 1000С. Для получения такой жидкости в специальной камере запасается реакционная смесь, содержащая 25 % Н2О2 и 10 % гидрохинона и метилгидрохинона; затем смесь подается в камеру с каталазой и пероксидазой, в результате экзотермической реакции смесь разогревается и выброшенная на воздух струя жидкости превращается в пар.

При концентрациях Н2О2 ниже 50 мкМ она является стимулятором клеточной активности, регулятором физиологических функций и сигнальной молекулой.

НАДФН-оксидазный аппарат клеток создает и поддерживает в крови и межклеточной среде определенный пул Н2О2.

Эффекты малых доз Н2О2 (0, 1-50 мкМ):

- активация К+-каналов плазматической мембраны;

- дозозависимое усиление окислительного взрыва нейтрофилов и макрофагов;

-модуляция циклооксигеназной активности эндотелия и тромбоцитов;

- участие в биосинтезе тиреоидных гормонов;

- стимуляция выброса гистамина из тучных клеток;

- обратимый сдвиг потенциал плазматической мембраны в сторону гипер- или деполяризации в зависимости от типа клеток

- создание, наряду с другими АКМ, определенного уровня редокс-потенциала в суставе, что способствует синтезу главных компонентов сухожилия – протеогликанов и коллагена. Нарушение этого уровня Ео1 приводит к артриту.

- является энергетически ценной молекулой. При распаде 1 М Н2О2 выделяется около 25 ккал энергии, что достаточно для синтеза 2 молекул АТФ. В митохондриях и цитозоле насекомых и эвглены зеленой показано Н2О2-опосредованное образование АТФ.

- вызывает SOS-ответ клетки на окислительный стресс. Показано, что обработка бактерий малыми дозами Н2О2 вызывает синтез более 30 белков с антиоксидантными свойствами, 9 из которых находятся под контролем гена oxyR. Этот ген интересен тем, что регулирует собственную транскрипцию. Ген oxyR связан с белком, имеющим активный сайт, который прямо «ловит» окислители (АКМ), вследствие чего меняется конформация белка. В результате этого комплекс белок-ген диссоциирует и белок связывается с другими генами, находящимися под его контролем. Это показано и для фибробластов человека в культуре;

- Н2О2 в малых дозах может активировать транскрипционные факторы NF-KB, АР-1, а также ферменты сигнальных путей – тирозинкиназы, тирозинфосфатазы, митоген-активируемые протеинкиназы (МАР-киназы).

Н2О2-сенсоры легких и кровеносных сосудов

Высшие организмы обладают глубокоэшелонированной системой защиты от кислородной опасности. Одна из первых линий обороны состоит в снижении [O2] в органах, тканях и клетках до уровня, все еще насыщающего цитохромоксидазу, но недостаточного для образования АФК со сколько-нибудь заметной скоростью.

Стратегия организма состоит в том, что скорость подачи кислорода в ткани будучи высокой в состоянии работы, резко понижается в период отдыха. Но для организма опасен не сам кислород, а образующиеся из него АФК, уровень которых может отслеживаться с помощью специальных сенсоров. Установлено, что млекопитающие имеют два Н2О2-сенсора, один из которых находится в нейроэпителиальных тельцах легкого и отвечает за сужение дыхательных путей при повышении уровня Н2О2, а другой выполняет ту же функцию в каротидном синусе кровеносных сосудов. Оба сенсора сходны по строению и локализованы в плазматической мембране клеток (рис.9).

Рис. 10. Строение Н2О2-сенсора в плазматической мембране клеток нейроэпителиальных телец легкого и клеток каротидного синуса

 

В процессе участвуют две независимые белковые системы, локализованные в плазматической мембране: НАДФН-оксидаза и К+-канал, активируемый перекисью водорода. Фермент окисляет внутриклеточный НАДФН, перенося электроны через мембрану на ее внешнюю сторону с помощью ФАД и двугемового цитохрома b. Там происходит восстановление О2 до О2 .. Две молекулы О2 . дисмутируют и образуют О2 и Н2О2, которая атакует снаружи К+-канал, являющийся вторым компонентом сенсора. В результате канал стабилизируется в открытой конформации.

Если концентрация кислорода падает, тормозится НАДФН-оксидазная реакция, снижается уровень Н2О2, К+-канал закрывается, что ведет к снижению мембранного потенциала на плазматической мембране, возбуждению клетки и выделению ею серотонина, который в нейроэпителиальных клетках легких служит медиатором расширения дыхательных путей. Это состояние характерно для периода работы, когда цитохромоксидаза в клетках организма потребляет большое количество кислорода:

Переход от отдыха к работе → потребление кислорода в тканях ­→ [O2] ¯ → [H2O2] ¯ → K+-канал ¯ → j на клеточной мембране ¯ → расширение дыхательных путей.

С переходом к состоянию покоя поглощение кислорода в тканях падает, его концентрация в крови растет, что ведет к уменьшению перехода кислорода из легких в кровь. В результате [O2] в нейроэпителиальных клетках легких возрастает, [H2O2] увеличивается, а К+-канал открывается и серотонин перестает выделяться. В результате уменьшается поступление кислорода в организм из-за сужения дыхательных путей.

Подобные события происходят также в клетках каротидного синуса, но здесь вместо серотонина выделяются катехоламины, что вызывает расширение кровеносных сосудов. Главная роль рассматриваемых сенсорных систем состоит в защите от кислородной опасности. При этом измеряется уровень Н2О2, а не кислорода, что позволяет организму более эффективно выполнять защитную функцию. При таком устройстве сенсора сигнал на сужение дыхательных путей и сосудов возникает из-за повышения [H2O2] независимо от причины, вызвавшей это повышение.

Например, спазмы дыхательных путей при воспалении легких могут быть следствием повышенной продукции О2 . и H2O2 НАДФН-оксидазой лейкоцитов в очагах воспаления, что ошибочно принимается организмом как сигнал кислородной опасности. Подобная ситуация может возникнуть в результате активации ксантиноксидазы в легких при вирусной инфекции. Так, по данным Моеды и сотр. (1998), инфицирование мышей вирусом гриппа вызывает 2-3-кратное повышение активности ксантиноксидазы, образующей О2 . и H2O2.






© 2023 :: MyLektsii.ru :: Мои Лекции
Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав.
Копирование текстов разрешено только с указанием индексируемой ссылки на источник.