СВЯЗЬ ОБМЕНА ЖИРОВ И УГЛЕВОДОВ ВЖК ГликолизГлюконеогенез Ацетил-КоАПВК ГАФ Полисахариды Жиры Глицерин Окислительное декарбоксилирование Глюкоза АТФ

Углеводы полностью превращаются в жиры, если находятся в избытке.

АКТИВНЫЕ ФОРМЫ КИСЛОРОДА. ПЕРЕКИСНОЕ ОКИСЛЕНИЕ ЛИПИДОВ

Проблема свободных радикалов в последнее десятилетие произвела настоящую революцию в понимании многих процессов, происходящем в организме человека. Сегодня свободные радикалы рассматриваются в качестве источника многочисленных нарушений, приводящих к возникновению целого ряда болезней. В основе образования этих агрессивных радикалов, которые окрестили «молекулярными акулами», обладающими неутолимым аппетитом в результате потери одного электрона, как ни удивительно, лежит один из самых значительных элементов для жизни человека – кислород.

Свободные радикалы это высокоактивные молекулы или атомы, имеющие один или несколько неспаренных электронов на внешней орбитали, что делает их особенно активными и «агрессивными». Свободные радикалы стремятся вернуть себе недостающий электрон, отняв его от окружающих молекул.

ФормулаНазвание O ·– Оксид O 2 ·– Супероксид °O 3 ·– Озонид HO · Гидроксил HO 2 · Гидродиоксид NO · Окись азота LO · L · LOO · Липидные радикалы ClO – Гипохлорит RO · Алкоксил C2H5O·C2H5O· Этоксил RО 2 · Алкилдиоксил

Для биологических систем наиболее важны кислородные свободные радикалы, которые включены в группу активных форм кислорода – АФК. Поэтапное одноэлектронное восстановление кислорода протекает с образованием промежуточных свободнорадикальных состояний кислорода, в частности супероксид-аниона и гидроксильного радикала: O 2 + ē O 2 ·– + ē Н 2 О 2 + ē ОН + ē Н 2 O супероксид-анион радикал гидроксильный радикал время полужизни с

2) в результате «утечки» ē в электронтранспортной системе мембран эндоплазматического ретикулума и ядра, включающие в себя цитохромы Р-450 и b 5, а также НАДФН- и НАДН-зависимые редуктазы (в том числе НАДФН- цитохром Р-450-зависимую редуктазу в микросомах). Около 95% всего потребляемого кислорода в клетке восстанавливается в митохондриях до Н 2 O в процессе окислительного фосфорилирования. Остальные 5% процентов в результате различных реакций превращаются в АФК: 1) в результате «утечки» ē в электронтранспортной цепи митохондрий (I и III комплексы - НАДН:убихинол-оксидоредуктаза и убихинол-цитохром с- оксидоредуктаза соответственно) с участием КоQ. 3) за счет активности ферментов: НАДФН-оксидазы, ксантиноксидазы, циклооксигеназы, липоксигеназы, NO-синтазы, моноаминооксидазы, оксидазы АМК и др.

5) ионы Fe 2+ (а также ионы других металлов переменной валентности Cu 2+, Co 2+ ) способствуют образованию ОН радикалов посредством реакции Фентона 6) автоокисление гемоглобина Hb(Fe 2+ ) 7) УФ, радиация НАДФН (Н + ) Н2О2Н2О2 миелопероксидаза Cl –, H + HOCl гипохлорид Fe 2+ ОН 4) фагоциты (гранулоциты и моноциты крови) и тканевые макрофаги для борьбы с бактериями образуют O 2 ·– при активации НАДФН-оксидазного комплекса на цитоплазматической мембране Hb(Fe 2+ ) ē Hb(Fe 3+ ) +

Таким образом, ряд биохимических процессов, протекающих в аэробных организмах, сопряжен с образованием активных интермедиатов кислорода, таких как супероксидный анион-радикал (O 2 ·– ), гидроксильный радикал ( ОН ), перекись водорода (H 2 O 2 ), синглетный кислород ( 1 O 2 ), гипохлорная кислота (HOCl), получивших название активных форм кислорода (АФК). Ряд авторов к АФК относят также такие активные формы азота как окись азота (NO. ) и пероксинитрит ( ), обладающий высокой реакционной способностью.

Образующиеся АФК могут выполнять полезные для клетки функции: участвуют (через АФК-зависимый сигналинг) в регуляции клеточных процессов (клеточное деление, дыхание и др.), бактерицидное действие, активируют иммунные реакции лейкоцитов. При высоком уровне АФК развивается окислительный (оксидативный) стресс, который приводит к нарушению функций клетки, гибели клеток путем апоптоза или некроза, развитию ряда заболеваний (атеросклероз, ИБС, диабет, ХОБЛ, болезнь Альцгеймера, болезнь Паркинсона, злокачественные образования и др.) Однако это возможно при низком уровне АФК в клетке!

O 2 ·–

Свободные радикалы в организме способны вступать в процессы, разрушающие клетку. Однако, оксиданты или свободные радикалы совершенно необходимы, так как они участвуют во многих физиологических процессах организма. Свободные радикалы в организме могут причинять вред, когда их количество непомерно возрастает и значительно превосходит, необходимое для осуществления окислительных процессов. Где та норма, при которой свободные радикалы полезны? Как контролировать свободные радикалы в организме?

Живые клетки имеют систему защиты от повышенной продукции свободных радикалов - антиоксидантную систему, механизм действия которой направлен на блокирование действия свободных радикалов. Антиоксидантная система образована низкомолекулярными антиоксидантами и антиоксидантными ферментами. Антиоксиданты «ловят» радикалы, отдавая им свои электроны, таким образом, обезвреживая их. При этом структура антиоксидантов остается стабильной.

Низкомолекулярные антиоксиданты: Токоферол (вит. Е) Ретинол (вит. А) Аскорбиновая кислота (вит. С) Глутатион восстановленный N-ацетилцистеин Мочевина, мочевая кислота Карнозин и другие гистидинсодержащие дипептиды

Ключевыми антиоксидантными ферментами являются супероксиддисмутаза (СОД), каталаза, глутатионпероксидаза. Они катализируют реакции, в результате которых свободные радикалы и перекиси превращаются в неактивные соединения Супероксиддисмутаза (разные формы содержат Cu/Zn и Mn): О О Н + Н 2 О 2 + О 2 Каталаза (гемсодержащий фермент): 2 Н 2 О 2 2 Н 2 О + О 2 Глутатионпероксидаза (содержит остаток селеноцистеина): 2GSH + Н 2 О 2 GSSG + 2Н 2 O

БАЛАНС АФК В ЖИВЫХ КЛЕТКАХ ТУШЕНИЕ АФК ТУШЕНИЕ АФК ГЕНЕРАЦИЯ АФК ГЕНЕРАЦИЯ АФК Дыхательная цепь митохондрий, NADPH-оксидаза нейтрофилов, микросомальное окисление, неферментативное окисление биогенных аминов СОД, Каталаза, Пероксидазы, Низкомолек. антиоксиданты (мочевая кислота, таурин, витамины A, C, E, карнозин, N- ацетилцистеин, глутатион), xелаторы ионов железа СОД, Каталаза, Пероксидазы, Низкомолек. антиоксиданты (мочевая кислота, таурин, витамины A, C, E, карнозин, N- ацетилцистеин, глутатион), xелаторы ионов железа

Нейроденеративные процессы Старение АФК AO система AO система ДЕФИЦИТ антиокси- дантов Метаболические нарушения Токсиканты Тяжелые металлы ОКИСЛИТЕЛЬНЫЙ С Т Р Е С С

Нарушение баланса АФК/антиоксиданты приводит к развитию окислительного стресса, который сопровождается активацией перекисного (пероксидного) окисления липидов (ПОЛ). Наиболее чувствительные к ПОЛ полиненасыщенные ВЖК липидного бислоя клеточных мембран

ПЕРЕКИСНОЕ ОКИСЛЕНИЕ ЛИПИДОВ Малоновый диальдегид Перекисное окисление липидов (ПОЛ) является важной причиной накопления клеточных дефектов. Основным субстратом ПОЛ являются полиненасыщенные жирные кислоты, входящих в состав клеточных мембран, а также липопротеинов. Атака кислородными радикалами приводит к образованию гидрофобных радикалов. Образующиеся липидные радикалы, а также 4-гидроксиноненаль и малоновый диальдегид могут атаковать молекулы белков и нуклеиновых кислот. Альдегидные группы этих соединений образуют межмолекулярные сшивки, что сопровождается нарушением структуры макромолекул и их функций.

ПОЛ изменяет свойства мембран: нарушается микровязкость () образуются мега поры растет проницаемость мембран набухание изменяется ионная проницаемость (разрушение ионных каналов и ионных насосов, например, Nа,К-АТФазы) В Мх повреждаются как компоненты дыхательной цепи, так и ферменты матрикса. Оксид азота взаимодействует с O 2 ·–, образуя пероксинитрит (ONOO – ). Пероксинитрит индуцирует ПОЛ в мембранах клеток, а также в липопротеинах сыворотки крови, что лежит в основе атерогенеза (Bult и др., 1990).

ОКИСЛИТЕЛЬНЫЙ СТРЕСС И ДЕСТРУКЦИЯ КЛЕТКИ

Факторы, вызывающие оксидативный стресс ( нарушение окислительно- восстановительного равновесия в сторону окисления и образования вторичных свободных радикалов), многочисленны и напрямую связаны с нашим образом жизни. Это радиация, курение, напитки с высокой окислительной способностью, хлорированная вода, загрязнение окружающей среды, антибиотики и ксенобиотики. Реакции с участием свободных радикалов могут являться причиной или осложнять течение многих опасных заболеваний, таких как астма, артрит, рак, диабет, атеросклероз, болезни сердца, флебиты, болезнь Паркинсона, болезнь Альцгеймера, эпилепсия, рассеянный склероз, депрессии, пародонтит и др.

МИКРОСОМАЛЬНОЕ ОКИСЛЕНИЕ, ЦИТОХРОМ Р-450 И ДЕТОКСИКАЦИЯ КСЕНОБИОТИКОВ

В микросомальном окислении участвуют два фермента: 1. Семейство цитохромов Р-450 (более 100 изоформ). 450 – полоса поглощения гема) 2. НАДФН-цитохром Р-450 редуктаза Цитохромы Р-450: 1) содержат Fe 3+ в составе гема; 2) катализируют монооксигеназные реакции (включение в субстрат одного атома кислорода).

ПОЛОЖЕНИЕ БЕЛКОВ МОНООКСИГЕНАЗНОЙ СИСТЕМЫ В МЕМБРАНЕ ЭПР

RH НАДФН(Н + ) косубстрат цит. Р-450 НАДФ + О2О2 Н2ОН2О цит. Р-450-редуктаза R-ОH гидроксилировавание В результате гидроксилирования : - образуется менее гидрофобный субстрат; - в результате «утечки» ē образуются АФК; - цитохромы Р-450 обладают широкой субстратной специфичностью и в норме участвуют в образовании БАВ: ретиноевой кислоты, тироксина, холестерина, стероидных гормонов, а также в обезвреживании ксенобиотиков.

Схема проф. Н.Н. Чернова

В результате реакции гидроксилирования, катализируемой цит.Р-450, образуются продукты (более гидрофильные, чем исходные соединения), которые становятся субстратами ферментов конъюгации (2 фаза биотрансформации ксенобиотиков) с образованием нетоксичных, безопасных для организма соединений, которые легко выводятся из организма (3 фаза). Ферменты конъюгации (II фаза) 1)Глутатион-S-трансферазы 2) УДФ-глюкуронилтрансферазы 3) Ацетилтрансферазы 4) Сульфотрансферазы 5) Глицинтрансфераза 6) Метилтрансфераза Ферменты I и II фаз биотрансформации ксенобиотиков индуцируются целым рядом соединений, т. е. имеет место мощная индукция защитных систем на уровне гена. Результатом может быть появление лекарственной толерантности.

«Побочным» эффектом функционирования цит. Р-450 является образование АФК (через образование O 2 ·– ) в результате «разобщения» и «утечки» ē на молекулярный кислород и активация ПОЛ. Получается замкнутый круг: ПОЛ индуцируется АФК и их же образует! Надо разорвать этот круг! Для этого есть природные антиоксиданты: В мембране: токоферолы (образуют малоактивные радикалы и обрывают цепь реакций ПОЛ) В цитоплазме: витамин С, глутатион, мочевая кислота, таурин, карнозин и ансерин (в мышцах) В крови: билирубин и мочевая кислота

БИОСИНТЕЗ ФОСФОГЛИЦЕРОЛИПИДОВ

СВЯЗЬ СИНТЕЗА ТАГ И ФОСФОЛИПИДОВ

Биосинтез фосфолипидов интенсивно происходит в печени, стенке кишечника, семенниках, яичниках, молочной железе и других тканях. Наиболее важные фосфолипиды синтезируются главным образом в эндоплазматической сети клетки. Центральную роль в биосинтезе фосфолипидов играют 1,2-диглицериды (в синтезе фосфатидилхолинов и фосфатидилэтаноламинов), фосфатидная кислота (в синтезе фосфатидилинозитов), сфингозин (в синтезе сфингомиелинов). Цитидинтрифосфат (ЦТФ) участвует в синтезе практически всех фосфолипидов.

СИНТЕЗ ФОСФАТИДИЛЭТАНОЛАМИНА, ФОСФАТИДИЛХОЛИНА, ФОСФАТИДИЛСЕРИНА

Биосинтез фосфатидилэтаноламина Первоначально этаноламин при участии соответствующей киназы фосфорилируется с образованием фосфоэтаноламина:

Затем фосфоэтаноламин взаимодействует с ЦТФ, в результате чего образуются цитидиндифосфатэтаноламин (ЦДФ-этаноламин) и пирофосфат (PPi):

В следующей реакции ЦДФ-этаноламин, взаимодействуя с 1,2-диглицеридом, образующимся при дефосфорилировании фосфатидной кислоты, превращается в фосфатидилэтаноламин. Реакция катализируется ферментом этаноламинфосфотрансферазой:

Биосинтез фосфатидилхолина (лецитина) Фосфатидилэтаноламин является предшественником фосфатидилхолина. В результате последовательного переноса трех метальных групп от трех молекул S-аденозилметионина (донор метальных групп) к аминогруппе остатка этаноламина образуется фосфатидилхолин:

Существует еще один путь синтеза фосфатидилхолина в клетках животных. В этом случае, как и при синтезе фосфатидилэтаноламина, используется ЦТФ в качестве переносчика, но уже не фосфоэтаноламина, а фосфохолина. На первом этапе синтеза свободный холин активируется под действием холинкиназы с образованием фосфохолина:

Биосинтез фосфатидилсерина У млекопитающих фосфатидилсерин образуется в реакции обмена этаноламина на серин:

Существует и второй путь образования фосфатидилсерина, который связан с предварительным вовлечением фосфатидной кислоты в синтез фосфоглицеридов: Затем происходит перенос серина на фосфатидильный остаток с образованием фосфатидилсерина:

Биосинтез фосфатидилсерина У млекопитающих фосфатидилсерин образуется в реакции обмена этаноламина на серин:

Существует и второй путь образования фосфатидилсерина, который связан с предварительным вовлечением фосфатидной кислоты в синтез фосфоглицеридов. Затем происходит перенос серина на фосфатидильный остаток с образованием фосфатидилсерина.

БИОСИНТЕЗ СФИНГОЛИПИДОВ

Сфингозин синтезируется из пальмитоил-КoA и серина в реакции конденсации, которая приводит к 3-кетосфинганину с помощью пальмитоилтрансферазы, которая локализована на цитозольной поверхности ЭПР гепатоцитов.серина пальмитоилтрансферазы 3-Кетосфинганин затем восстанавливается с участием NADPHдо сфинганина, а затем окисляется под действием FAD до собственно сфингозина.NADPHFAD Пальмитоил-КоА КетосфинганинСерин Сфинганин (сфингазин ) Сфингенин сфингазин

Интермедиатом в биосинтезе сфингомиелина является церамид (N-ацилсфингозин), который образуется при взаимодействии сфингозина с ацил-КоА. Сфингомиелин синтезируется в результате взаимодействия (реакции) церамида с ЦДФ-холином:

Молекула сфингомиелина содержит полярную головку, которая несет одновременно и положительный (остаток холина), и отрицательный (остаток фосфорной кислоты) заряды, и два неполярных хвоста (длинная алифатическая цепь сфингозина и ацильный радикал жирной кислоты).

Глюкоцереброзид Ганглиозид Галактоцереброзид Глобозид Сфингомиелин Церамид (N-ацетилсфингозин