Перекисне окислення ліпідів (стр. 2 из 5)
Ланка цитохромів розташовується між КоQH2 й киснем; при цьому в дихальний ланцюг цитохроми включаються в певній послідовності, залежно від окислювально-відновного потенціалу, переважно в такому порядку: b, c1, c, a, a3. Комплекс цитохромів b і c1 здійснює перенос електронів від атомів водню відновленого КоQH2 на цитохром с; протони при цьому звільнюються в міжмембранний простір. Цитохром c являє собою залізовмісний білок із невеликою молекулярною масою (~12000), який складається з одного поліпептидного ланцюга й порфіринової групи з атомом заліза. Аналогічно убіхінону цитохром с - рухомий переносник електронів між цитохромами b і комплексом цитохромів a й a3. Комплекс цитохромів aa3 діє як цитохромоксидаза (ЦХО), яка окрім гему містить іони міді, які теж беруть участь у переносі електронів, змінюючи валентність:
Cu2+ + e → Cu+
Cu+ - e → Cu2+
П'ятий етап зв'язаний з передачею електронів від цитохромоксидази на молекулярний кисень. Електрони послідовно приєднуються до іонів заліза цитохромів aa3, потім - до іона міді і, нарешті, потрапляють на кисень. У результаті утворюється активний іонізований кисень (O2-), який, реагуючи згодом із двома протонами водню з матриксу, утворює воду.
Напрямок переносу протонів і електронів визначає окислювально-відновний потенціал. Кожен компонент дихального ланцюга у внутрішній мембрані мітохондрій вбудований між своїм відновником і окисником і може віддавати свій водень або свої електрони іншому компоненту, який має більш високий потенціал. Ця послідовність виглядає так (мал. 8):
Мал. 8
При переході від одного переносника до іншого електрон поступово, невеликими порціями втрачає потенціал. Падіння потенціалу пов'язане зі зміною вільної енергії. У міру зменшення потенціалу вільна енергія, що виділилася, трансформується в хімічну форму, зручну для використання клітиною.
1.2 Вільнорадикальне окислення в біологічних мембранах
Активні форми кисню – ініціатори перекисного окислення ліпідів
Для клітини дуже важливо, щоб молекула кисню, приєднавши чотири електрони, повністю відновлювалась до двох молекул води. У результаті переносу першого електрону до молекули О2 утворюється супероксидний іон-радикал
. На наступному етапі перенос другого електрону і двох протонів призводить до утворення пероксиду водню Н2О2 внаслідок розриву одного з двох зв’язків між атомами у молекулі кисню. Нарешті, при розриві другого зв’язку між атомами кисню та акцепції третього електрону утворюється гідроксильний радикал ·ОН, а приєднання четвертого електрону закінчує процес відновлення молекули кисню утворенням двох молекул води. Нестійкі продукти, що виникають у ході цього універсального процесу, 
, Н2О2,·ОН [3]– активні форми кисню (АФК) – через можливий «витік» з системи транспорту електронів, можуть грати роль ініціаторів процесу не ферментативного пер оксидного окислення (ПО), особливо при прискоренні процесу окислювального фосфорилювання.У відсутності вільно радикального ініціатора процес не йде. Зокрема, присутність в органічному субстраті, що легко окислюється, речовин-перехоплювачів, інактиваторів радикалів, запобігає виникненню і розвитку в ньому окислювальних неферментативних реакцій. Однак радикали виступають не тільки в ролі ініціаторів ПО. При взаємодії радикалу з молекулою органічної сполуки утворюється новий радикал і нова молекула. Таким чином, ПО протікає як ланцюговий процес. Кінетика ПО органічних сполук відповідає механізму розгалужених (у кожному циклі реакції замість одного радикалу виникає три нових; кількість активних продуктів збільшується лавиноподібно) і вироджено-розгалуджених (кількість активних продуктів повільно збільшується за рахунок періодичного розпаду молекули, що утворюється, на два радикали) радикальних реакцій.
Радикали-ініціатори реакцій ПО можуть виникати під впливом квантів випромінювання - іонізуючого, УФ і навіть видимого, що падає ззовні або виникає усередині органічного субстрату (за рахунок вмісту в ньому природних радіонуклідів). В ролі ініціаторів ПО можуть виступати радикали, що утворюються під час функціонування електронно-транспортних ланцюгів, при взаємодії іонів заліза з киснем (Fe2+ + О2-® Fe3+ +
® Н 
) і т.п. [4]. Практично в клітинах будь-якого організму в кожний момент його життєдіяльності присутні радикали різної структури, здатні взяти на себе роль ініціаторів ПО.Найбільш ефективно реакції ПО розвиваються в ліпідвмісних структурах (перекисне окислення ліпідів – ПОЛ), насамперед у біологічних мембранах, зокрема, при впливі іонізуючої радіації [5].
Відомо, що структура мембран ускладнює доступ молекулярного кисню в клітину внаслідок сильно вповільненої дифузії його через ліпідний бішар [5, 6], а також у результаті активного функціонування системи регуляції стаціонарного рівня кисню в клітині. Зміст у клітці молекулярного кисню становить усього 10-6 М [3], ще нижче рівень АФК. Саме низький рівень кисню і АФК забезпечує протікання корисних оксидазних біологічних процесів, а також нормальне протікання вільнорадикальних процесів ліпопероксидації в біологічних мембранах.
Вільнорадикальні реакції ПОЛ беруть участь у нормальних метаболічних процесах і регуляції функцій клітини. Так, гальмуючи або, навпаки, прискорюючи ПОЛ можна змінити склад клітинних мембран, їх структурну організацію й функціональну активність клітини.
Механізм перекисного окислення у біологічних мембранах
Ланцюгова реакція ПОЛ протікає в декілька стадій, які одержали назву ініціювання, продовження і обрив ланцюгу (мал. 9).
Мал. 9 - Стадії ланцюгової реакції ПОЛ
Ініціювання ланцюгової реакції починається з того, що в ліпідний шар мембран або ліпопротеїнів включається вільний радикал. Частіше за все це гідроксильний радикал ·ОН. Являючись невеликою за розміром незарядженою частинкою, він здатен проникати в товщу гідрофобного ліпідного шару і вступати в хімічну взаємодію з поліненасиченими ЖК (які прийнято позначати як LH), що входять до складу біологічних мембран і ліпопротеїнів плазми крові. При цьому утворюються ліпідні радикали:
LH + ·ОН®L· + Н2О (1)
Ліпідний радикал (L·) вступає в реакцію з розчиненим в середовищі молекулярним киснем; при цьому утворюється новий вільний радикал - радикал ліпоперекису (LОО·):
L· + О2® LОО·;(2)
Цей радикал атакує одну із сусідніх молекул фосфоліпіду з утворенням гідроперекису ліпіду LOOH і нового радикала L·:
LОО· + LH®LOOH + L·.(3)
Чергування реакцій (2) і (3) саме й представляє собою ланцюгову реакцію перекісного окиснення ліпідів.
Істотне прискорення пероксидації ліпідів спостерігається в присутності невеликих кількостей іонів двовалентного заліза. В цьому випадку відбувається розгалуження ланцюгів у результаті взаємодії Fe2+ c гідроперекисами ліпідів:
Fe2+ + LOOH → Fe3+ + HO– + LО·.(4)
Радикали LО· ініціюють нові ланцюги окиснення ліпідів (мал. 10):
LО· + LH → LOH + L·;(5)
Мал. 10 - Розгалужена ланцюгова реакція окислення ліпідів
У біологічних мембранах ланцюги можуть складатися з десятка й більш ланок. Але в кінці кінців ланцюг обривається в результаті взаємодії вільних радикалів з антиоксидантами , іонами металів змінної валентності (наприклад, тими ж Fe2+) або один з одним:
LОО· + Fe2+ + H+ → LOOH;(6)
LOO· + HIn® LOOH + In·;(7)
LOO· + LOO· → молекулярні продукти(8)
Остання реакція особливо цікава, оскільки вона супроводжується світінням (хемілюмінесценцією). Інтенсивність "надслабкого" світіння однозначно відбиває швидкість ліпідної пероксидації в досліджуваному біологічному матеріалі, і вимір хемілюмінесценції досить часто використовується при вивченні перекисного окислення ліпідів у різних об'єктах [3].
Якщо частота обривів ланцюгу переважає над частотою розгалужень, процес ПО припиняється. При зворотнім співвідношенні цих реакцій швидкість ПО поступово зростає в міру збільшення кількості активних продуктів і залучення в процес зростаючої кількості молекул субстрату. Звідси одна з найважливіших особливостей ПО - і під час відсутності специфічних каталізаторів (ферментів) процес розвивається, самоприскорюючись, аутокаталітично за наявності сприятливих умов: температури, вільного доступу молекулярного кисню й достатньої кількості радикалів-ініціаторів [3].
Таким чином, продуктами пероксидного окислення ненасичених ЖК можуть бути альдегіди, кетони, диальдегіди, епоксиди тощо, наприклад (мал. 11):