Активные формы кислорода и окислительный стресс

Активные  формы кислорода  и окислительный  стресс

1. Общие представления об активных  формах кислорода 

Синглетный

кислород (¹О₂) 
 
 

Активные  формы кислорода (АФК) – это формы  кислорода с чрезвычайно высокой  реакционной способностью, которые  могут окислять практически все  классы биологических молекул( белки, липиды, молекулы ДНК и т.д.).

 Содержание  АФК низко в нормально функционирующих  клетках, но при неблагоприятных  условиях возникает окислительный  стресс и их концентрация повышается. 

Супероксид  анион 

радикал (О₂^.-) 

Пероксид водорода

( Н₂О₂) 

Гидроксильный

радикал (НО^.) 

Гидропероксидный

 радикал  (НО₂^.) –

наиболее  опасен 

Озон (О₃)

Образование различных АФК в результате получения  энергии или в результате неполного  восстановления молекулярного кислорода  до воды 

      
 
 

Образование различных АФК другими путями 

• 1) Образование  пероксида в результате дисмутации:
•                           2О₂^.- + + 2Н⁺ → Н₂О₂ + О₂

 

•   2) Реакции Фентон(а) а и Хабера-Вейса(а, б, в)

 

• Me^(n-1)++ Н₂О₂  → Meⁿ⁺ НО^- + НО^. (а)
• О₂^.- + Meⁿ⁺→ Me^(n-1)++ О₂ (б)
• Н₂О₂+ О₂^.- →⁺ НО^- + НО^. +О₂(в)

• Образование АФК в митохондриях

 

Образование АФК в разных компартментах клетки 

• Образование АФК в хлоропластах

 

• Образование АФК в разных компартментах клетке

Образование АФК в митохондриях 

• Электрон-транспортная цепь митохондрий

Образование АФК в хлоропластах 

Электрон-транспортная цепь в тилакоидной мембране хлоропласта

Образование АФК в других клеточных компартментах 

1) В пероксисомах глиоксилат окисляется до глиоксилата и пероксида водорода, а также образуется супероксид радикал

2) В глиоксисомах  - пероксид (в связи с окислением запасных жиров)

3) В цитозоле  образуется супероксид радикал, что связано с с работой комплекса цитохром Р450-зависимой монооксиназы, локализованной в ЭПС 

4.Повреждение  биомолекул активными формами кислорода 

Повреждение липидов 

Повреждение нуклеиновых кислот 

Повреждение белков

Повреждения липидов 

Активные  формы кислорода приводит к перекисному  окислению липидов( ПОЛ).

ПОЛ - цепные реакции, обеспечивающие расширенное  воспроизводство свободных радикалов, частиц, имеющих неспаренный электрон, которые инициируют дальнейшее распространение перекисного окисления.

Стадии  перекисного окисления липидов  

1) Инициация:  образование свободного радикала (L•)  

2) Развитие цепи 

3) Разрушение структуры липидов  

4) Обрыв  цепи - взаимодействие радикалов  между собой

1) Инициация: образование свободного  радикала (L•)  
 

•  
•  

 
 

•  Инициирует реакцию чаще всего гидроксильный радикал, отнимающий водород от СН2-групп полиеновой кислоты, что приводит к образованию липидного радикала.

2) Развитие цепи 

•   L • + О2 → LOO •
• LOO• + LH → LOOM + LR•
•   Развитие цепи происходит при присоединении О2, в результате чего образуется липопе-роксирадикал LOO• или пероксид липида LOOH.
•   ПОЛ представляет собой свободнорадикальные цепные реакции, т.е. каждый образовавшийся радикал инициирует образование нескольких других.

3,4) Разрушение структуры липидов  и обрыв цепи 
 

• 3)
•  

 

•  Конечные  продукты перекисного окисления  полиеновых кислот - малоновый диальдегид и гидропероксид кислоты.
•  
• 4) Взаимодействие радикалов между собой:
•   LOO• + L• → LOOH + LH
• L• + vit E → LH + vit E•
• vit E• + L• → LH + vit Еокисл.
•   Развитие цепи может останавливаться при взаимодействии свободных радикалов между собой или при взаимодействии с различными антиоксидантами, например, витамином Е, который отдаёт электроны, превращаясь при этом в стабильную окисленную форму.
•  

Последствия ПОЛ по Ю.В. Владимирову (2002)

Повреждения нуклеиновых кислот 

1. Супероксид  и пероксид не реагируют с основаниями ДНК

2. Гидроксильный  радикал модифицирует все основания

3. Синглетный кислород атакует гуанин. 

Модификации оснований приводят к разрыву  цепей ДНК и повреждений хромосом

АФК- мощные мутагены

АФК- ингибиторы синтеза ДНК и деления  клеток

Повреждения белков 

При окислительном  модифицировании белков происходит образование в организме ROOH, а  затем ROH (o- и m-тирозины), R(OH)2(ДОФА), карбонилов и других окисленных производных.

В условиях окислительного стресса происходит окислительная модификация белков. Свободные радикалы атакуют белки  по всей длине полипептидной цепи, нарушая не только первичную, но и  вторичную, и третичную структуру  белков, что приводит к агрегации  или фрагментации белковой молекулы ( Дубинина и соавт., 2002 ; Agarwal S. and Sohal R., 1995 ). Многие ферменты, содержащие SH-группы, такие как АТФазы или дегидрогеназы, легко окисляются в результате свободнорадикальной атаки

5. Сигнальная роль АФК 

• 1) Клетки растений и животных  воспринимают и использует АФК  в качестве сигнальных молекул,  вторичных мессенджеров, которые помогают им анализировать внешние воздействия и внутренние сигналы

• 2)Ученые  из Испании обнаружили, что АФК  выполняют компенсаторную сигнальную  функцию: они активируют синтез  митохондриальной ДНК, регулируя дыхательную активность клетки.

АФК участвуют  в апоптозе 

• 3)Программируемая клеточная смерть связана с активацией ферментов, разрущающих клеточные структуры и белки, а АФК участвует в регуляции и протекании апоптоза

 

Благодарим  за внимание