III. Задания для самостоятельной работы

Модульная единица 1.1.

«Номенклатура органических соединений. Природные сопряженные структуры. Кислотно-основные взаимодействия в механизме реализации свойств важнейших классов биоорганических соединений. Окислительно-восстановительные процессы в организме»

Занятие 1.1.8.

Методические указания для студентов

ТЕМА: «Роль радикальных процессов. Свободные формы кислорода. Пероксидное окисление липидов биологических мембран. Ферментативные и неферментативные ингибиторы окисления»

ЦЕЛЬ: Сформировать у студентов представления о радикальных процессах. Показать образование свободных форм кислорода в условиях организма. Продемонстрировать механизм процесса пероксидного окисления липидов биологических мембран. Познакомить с игибиторами процесса пероксидного окисления ферментативной и неферментативной природы.

ЗНАТЬ: Разнообразие окислительных процессов с участием липидов и их структурных компонентов. Активные формы кислорода, образующиеся в организме. Пероксидное окисление липидов как основная причина повреждения клеточных мембран. Основные механизмы антиоксидантной защиты организма. Природные и синтетические антиоксиданты.

УМЕТЬ: Приводить механизм зарождения активных форм кислорода, писать схему реакции пероксидного окисления на примере ненасыщенной жирной кислоты, показывать механизм действия ферментативной и неферментативной (антиоксидантной) системы, а также синтетических антиоксидантов.

ВЛАДЕТЬ: Навыками самостоятельной работы с учебной литературой и методическими материалами.

ЗНАЧЕНИЕ ИЗУЧЕНИЯ ТЕМЫ: Важным аспектом проблемы реакций окисления в организме человека являются процессы пероксидного окисления липидов (ПОЛ) биологических мембран. Эти процессы в норме протекают в организме, обеспечивая синтез ряда биологически важных соединений - биорегуляторов (простагландинов, лейкотриенов, тромбоксанов и др.). Интенсификация ПОЛ приобретает патогенетическое значение, поскольку может привести к нарушению целостности биологических мембран, к массовой гибели клеток. В связи с этим необходимо представлять способы коррекции патологических состояний, вызванных интенсификацией ПОЛ.

I. Теоретические вопросы

1. Значение протекания радикальных  в организме.

2. Механизм зарождения активных форм кислорода в условиях организма.

3. Процессы пероксидного окисления липидов (ПОЛ) биологических мембран. Схема ПОЛ (инициирование, рост цепей, продолжение цепей, вырожденное разветвление, реакции обрыва цепей). Виды радикалов: пероксидный, алкильный, алкоксильный.

4. Основные представители ферментативных и неферментативных (антиоксидантных) систем организма, механизм их функционирования.

5. Биоантиоксиданты как ловушки алкильных (хиноны, каротиноиды) или пероксидных радикалов (a-токоферол, кверцетин и др. фенолы).

II. Обучающие упражнения

Задание 1. Приведите механизм зарождения активных форм кислорода

       В активном центре гемоглобина в результате переноса электрона от катиона железа к кислороду образуются супероксид-ион радикалы

       Fe²⁺ - e ¾®Fe³⁺,                                    О₂ + е ¾¾¾® О₂^·

При диспропорционировании супероксид-иона образуется пероксид водорода.

О₂ ^· + О₂ ^· + 2 Н⁺ ¾¾® Н₂О₂ + О₂

При реакции супероксид-иона и пероксидом водорода образуется гидроксил-радикал Н₂О₂ + О₂ ^· ¾¾® 2ОН^· + О₂

       В реакции супероксид-иона с гидроксил-радикалом образуется синглентный кислород:

       ОН^· + О₂ ^·¾¾® *О₂(синглентный) + ОН^-  Образование высокоактивного ОН^· радикала происходиттакже по реакции Фентона:H₂O₂ + Fe²⁺¾® Fe³⁺+ OH^- + ОН^·

Задание 2. Напишите схему реакции пероксидного окисления на примере линолевой кислоты.

Ответ. В молекулах фосфолипидов связи С-Н, расположенные между двумя p-связями ( в a-положении к ним), атакуются гидроксильными или пероксильными радикалами. Рассмотрим этот процесс на примере линоленовой кислоты:       

В результате образуются новые радикалы, существующие в двух мезомерных формах:

       Радикал стабилизируется за счет делокализации электронной плотности в сопряженной системе:       СН₃-(СН₂)₄-СН^{. . .} СН^{. . .} СН^{. . .} СН^{. . .}СН-(СН₂)₇-СООН

       Схематично описанный выше процесс представляется как

                              RH + OH^· ¾® H₂O + R^·      инициирование (0)

Таким образом, инициируется процесс неферментативного окисления липидов биологических мембран.

Образующийся алкильный радикал присоединяет молекулу кислорода (за время 10^-6сек) и превращается в очень активный пероксидный (пероксильный) радикал:

                   R^·+ O₂ ¾® RО₂^·                               рост цепей (1)

Пероксидный радикал RО₂^· взаимодействует с соседними углеводородными фрагментами молекулы фосфолипидов, что приводит к образованию гидропероксидов (RООН) и новому алкильному радикалу R^·, вновь присоединяющему молекулу О₂ согласно реакции 1.

                   RО₂^· + RH ¾® RООH + R^·     продолжение цепей        (2)

Гидропероксиды способны разрушаться с разрывом О-О связей, что приводит к вторичному иницированию и, как следствие, ускорению окисления:

                   RООH ¾® RО^· + ОН^· вырожденное разветвление                  (3)

       Последняя реакция крайне нежелательна для организма. Поэтому существуют ферментативные антиоксидантные системы, регулирующие в организме концентрацию активных кислородсодержащих ионов и радикалов.

       Свободные радикалы взаимодействуют между собой, обрывая цепи окисления в соответствии с элементарными реакциями :

                   RO₂^·+ RO₂^· ¾®             молекулярные продукты

                   RO^· + RO^· ¾®               молекулярные продукты

                   R^· + R^·    ¾¾®              молекулярные продукты

Задание 3. Покажите механизм действия ферментативной и неферментативной (антиоксидантной) системы.

Ответ.Ферменты каталаза и глутатионпероксидаза защищают аэробные клетки от окисления, предотвращая возможность радикального разрушения пероксидов. Субстратом для каталазы преимущественно служит пероксид водорода.

                              2 Н₂О₂ ¾¾® 2Н₂О + О₂

       В состав простетической группы каталазы входит гемовое железо, в активном центре происходит окисление (Fe²⁺ - e ¾® Fe³⁺).

           Глутатионпероксидаза вместе с глутатионом разрушают пероксид водорода и гидропероксиды, защищая клетки от повреждающего действия радикалов, образующихся при гомолитическом разрыве связей RО-ОH.

       Глутатион представляет собой трипептид, образованный глутаминовой кислотой, цистеином и глицином :

Реакционоспособной группой глутатиона(R-SH)является тиольная группа. Глутатион взаимодействует с пероксидом водорода и гидропероксидами липидов:

                   2 R-SH + H₂O₂ ¾® 2 H₂O + R-S-S-R     

                   2 R-SH + R₁OOH ¾® H₂O +R₁OH + R-S-S-R                         

Окисленный глутатион способен восстанавливаться:

                   R-S-S-R + 2H⁺ + 2 e  2 R-S-H

Активный центр глутатионпероксидазы содержит остаток селеноцистеина, в котором атом серы цистеина заменен на атом селена:                        

Полагают, что действие глутатионовой ферментной системы может быть описано совокупностью реакций:

       R-Se-H +H₂O₂ ¾¾® R-Se-OH + H₂O                                       (I)

       R-Se-OH + 2 R-S-H ¾¾® R-Se-H + R-S-S-R + H₂O             (II)

       R-S-S-R + НАДФ-Н ¾¾® 2 R-S-H + НАДФ⁺                                  (III)

Задание 4.Показать механизм действия антиоксидантов

Ответ.В присутствии относительно низких концентраций ингибиторов фенольного типа (IпН) (10^-6 - 10^-3 моль/л) обрыв цепей происходит на молекулах антиоксидантов согласно реакции:                      

IпН +RO₂^·¾¾¾¾®ROOH +          Iп^·  (обрыв цепей)                            (VII)

Радикал ингибитора(Iп^·)обычно неактивен и не участвует в продолжении цепей, в связи с чем антиоксидант выполняет роль ловушки свободных радикалов и способствует значительному торможению окисления.

формула основного липидного антиоксиданта - a-токоферола:

       В последние годы антиоксиданты применяются в клинической практике (антиоксидантотерапия).

III. Задания для самостоятельной работы

Задание 1. Приведите элементарные реакции инициирования, роста, продолжения и обрыва цепей на примере свободнорадикального окисления олеиновой кислоты. Дайте название радикалам, образующимся в результате этого процесса.

Задание 2. Покажите химизм взаимодействия липидов (RH) с гидроксильными и пероксидными радикалами. Перечислите соединения (антиоксиданты), способные тормозить процесс свободно радикального окисления липидов.

Задание 3.Напишите реакцию уничтожения свободных радикалов с участием важнейшего фенольного биоантиоксиданта (a-токоферола).

Задание 4.Представьте механизм образования активных форм кислорода (О₂^·, ОН^·, О₂^*, Н₂О₂). Какие ферменты способны разрушать пероксид водорода и гидропероксиды?

Задание 5.В состав активного центра глутатионпероксидазы входит трипептид глутатион. Изобразите его структуру и приведите химизм реакции глутатиона с пероксидом водорода.

Задание 6.Соотнесите перечисленные ниже соединения к системам ферментативной и неферментативной защиты ПОЛ: супероксиддисмутаза, убихинон, каталаза, глутатионпероксидаза, флавоноиды, липоевая кислота, аскорбиновая кислота.

IV. Выполнение самостоятельной аудиторной работы «Пероксидное окисление липидов биологических мембран. Ферментативные и неферментативные ингибиторы окисления»