Химия биологически активных веществ: природные и синтетические антиоксиданты
Покупка
Новинка
Издательство:
Директ-Медиа
Год издания: 2022
Кол-во страниц: 120
Дополнительно
Вид издания:
Учебник
Уровень образования:
ВО - Бакалавриат
ISBN: 978-5-4499-2802-3
Артикул: 827090.01.99
Доступ онлайн
185 ₽
В корзину
В учебнике изложен основной круг вопросов о принципах и биохимических механизмах протекания свободнорадикальных процессов в живых организмах, функционирования живой клетки в условиях аэробного метаболизма, защиты клетки от окислительного стресса. Рассмотрена биологическая роль поддержания баланса между свободными радикалами и антиоксидантами, а также изменение этого баланса, ведущее к ингибированию или активации синтеза компонентов антиоксидантной клеточной защиты.
Содержание учебника соответствует ряду компетенций, освоение которых предусмотрено ФГОС ВО при подготовке бакалавров по направлению «Педагогическое образование» (профиль «Биология и химия»).
Книга предназначена студентам, обучающимся по биологическим и химическим специальностям, а также будет полезна для учителей биологии и химии средней школы, преподавателей вузов, аспирантов и магистрантов.
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
А. Г. Жукова Л. Г. Горохова Т. Г. Сазонтова ХИМИЯ БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ: ПРИРОДНЫЕ И СИНТЕТИЧЕСКИЕ АНТИОКСИДАНТЫ Учебник Москва 2022
УДК 577.1(075) ББК 28.072.53я7 Ж86 Рецензенты: Ю. В. Архипенко — д-р биол. наук, проф., главный научный сотрудник лаборатории трансляционной медицины факультета фундаментальной медицины Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова; Ф. И. Иванов — д-р хим. наук, проф., проф. кафедры естественнонаучных дисциплин КГПИ КемГУ Жукова, А. Г. Ж86 Химия биологически активных веществ: природные и синтетические антиоксиданты : учебник / А. Г. Жукова, Л. Г. Горохова, Т. Г. Сазонтова. — Москва : Директ-Медиа, 2022. — 120 с. ISBN 978-5-4499-2802-3 В учебнике изложен основной круг вопросов о принципах и биохимических механизмах протекания свободнорадикальных процессов в живых организмах, функционирования живой клетки в условиях аэробного метаболизма, защиты клетки от окислительного стресса. Рассмотрена биологическая роль поддержания баланса между свободными радикалами и антиоксидантами, а также изменение этого баланса, ведущее к ингибированию или активации синтеза компонентов антиоксидантной клеточной защиты. Содержание учебника соответствует ряду компетенций, освоение которых предусмотрено ФГОС ВО при подготовке бакалавров по направлению «Педагогическое образование» (профиль «Биология и химия»). Книга предназначена студентам, обучающимся по биологическим и химическим специальностям, а также будет полезна для учителей биологии и химии средней школы, преподавателей вузов, аспирантов и магистрантов. УДК 577.1(075) ББК 28.072.53я7 ISBN 978-5-4499-2802-3 © Жукова А. Г., Горохова Л. Г., Сазонтова Т. Г., текст, 2022 © Издательство «Директ-Медиа», оформление, 2022
Оглавление Предисловие ..................................................................................................................................... 4 Глава 1. История возникновения и развития учения о свободнорадикальных процессах .................................................................................... 5 Литература к главе 1 .......................................................................................................... 11 Глава 2. Биологическая роль свободнорадикальных процессов в организме .................................................................................................................................... 12 2.1. Характеристика активных форм кислорода. Источники образования активных форм кислорода в тканях ........................................... 12 2.2. Биологическая роль свободнорадикальных процессов в клетке ...................................................................................................................................... 24 2.3. Современные представления о повреждающей роли АФК и методы регистрации продуктов перекисного окисления ....................... 40 Литература к главе 2 .......................................................................................................... 47 Глава 3. Природные и синтетические антиоксиданты ...................................... 50 3.1. Внутриклеточные защитные системы — классификация и механизм действия .......................................................................................................... 50 3.1.1. Ферментные антиоксидантные системы ............................................ 52 3.1.2. Неферментные антиоксиданты и особенности их функционирования ....................................................................................................... 58 3.1.3. Хелаторы ионов металлов переменной валентности ................. 74 3.1.4. Синтетические антиоксиданты ................................................................. 81 3.1.5. Специфические защитные внутриклеточные белки .................. 84 Литература к главе 3 .......................................................................................................... 94 Глава 4. Современные представления о стратегии защиты клеток от свободнорадикальных процессов ............................................................. 96 4.1. Соотношение прооксидантных и антиоксидантных факторов в клетке. Критерии оценки ...................................................................... 96 4.2. Эндогенная защита и пути её формирования ......................................... 101 Литература к главе 4 ........................................................................................................ 104 Заключение .................................................................................................................................. 105 Вопросы для зачёта ................................................................................................................. 106 Темы рефератов ........................................................................................................................ 107 Тесты для контроля усвоения знаний ........................................................................ 110 Об авторах ..................................................................................................................................... 119
ПРЕДИСЛОВИЕ Учебник «Химия биологически активных веществ: природные и синтетические антиоксиданты» предназначен для студентов, обучающихся по направлению подготовки 44.03.05 — педагогическое образование (с двумя профилями подготовки) профиль «Биология и химия». Учебник составлен в соответствии с государственным образовательным стандартом высшего образования и соответствует ряду компетенций, освоение которых предусмотрено ФГОС ВО 3+, ФГОС ВО 3++ при подготовке бакалавров по направлению «Педагогическое образование» (профиль «Биология и химия»). В учебнике рассмотрены основные принципы и биохимические механизмы протекания свободнорадикальных процессов в живых организмах, функционирования живой клетки в условиях аэробного метаболизма, защиты клетки от окислительного стресса. Представлены современные понятия о протекании свободнорадикальных процессов в живых организмах, о физиологическом и патологическом значении активных форм кислорода и свободных радикалов, как биологически активных веществ. Продемонстрирована жизненная необходимость образования активных форм кислорода в живой клетке, рассмотрена биологическая роль поддержания баланса между свободными радикалами и антиоксидантами, а также изменение этого баланса, ведущее к ингибированию или активации синтеза компонентов антиок- сидантной клеточной защиты. В каждой главе учебника имеются схемы и иллюстрации, которые облегчают понимание биохимических и молекулярных механизмов изучаемых процессов.
Глава 1. ИСТОРИЯ ВОЗНИКНОВЕНИЯ И РАЗВИТИЯ УЧЕНИЯ О СВОБОДНОРАДИКАЛЬНЫХ ПРОЦЕССАХ Понятие «радикалы» зародилось в дискуссиях химиков более 200 лет назад (вторая половина XVIII века). Термин «радикал» (от лат. radix — корень) предложил Лавуазье, назвавший так химически активные вещества, в то время еще неясной природы. Лавуазье наблюдал образование радикалов из органических веществ, но выделить их в свободном виде не мог из-за высокой реакционной способности и неустойчивости, поэтому в их существование долгое время никто не верил. Многочисленные попытки выделения радикалов в течение всего XIX в. не дали результата. Только в 1900 г. учёный-химик из США Мозес Гомберг (1866–1947) в ходе опытов с органическими веществами случайно получил свободные радикалы, благодаря чему стал знаменитым основателем химии свободных радикалов. Однако только с развитием квантовой механики удалось объяснить химическую природу радикалов, а после появления метода электронного парамагнитного резонанса (Завойский, 1945) стало возможным прямо измерять их. Другая линия зарождения свободнорадикальной биологии ведёт своё начало с работ великого французского химика Антуана Лавуазье (1743–1794), который впервые показал роль кислорода, открытого английским химиком Джозефом Прист- ли, в процессах горения, окисления и дыхания. В 1604 году, за 170 лет до Шееле, Пристли и Лавуазье, польский алхимик Михаил Сендивогий писал: «Человек возник на Земле и живёт на ней благодаря воздуху; в воздухе есть тайная пища для жизни… чей сконцентрированный невидимый дух лучше, чем вся Земля» [Лэйн Н., 2016]. В 1818 году французский исследователь, Луис-Жакоб Те- нард, впервые описал перекись водорода и показал, что она может разлагаться живыми тканями с выделением молекулярного кислорода.
Впервые реакционная сущность кислородных радикалов была выявлена Фентоном в 1894 году. Изучая окисление различных соединений, он показал, что окислительная способность перекиси водорода значительно возрастает в присутствии сульфата железа. Смесь Н2О2 с солями железа была названа реактивом Фентона. В дальнейшем Ф. Габер (1868–1934) и Й. Вайс (1905–1972) обнаружили, что высокая реакционность реактива Фентона обусловлена образованием ОН-радикалов, и показали, что для протекания реакции необходимо восстановление ионов железа. В 1930-х годах в работах Л. Михаэлиса (1875–1949) было показано, что абсолютное большинство химических реакций протекает через участие свободных радикалов. Дальнейшее изучение химии радикалов связано с созданием ядерного оружия. Возникла острая необходимость изучения биологических эффектов ядерного оружия и разработки средств радиационной защиты. Проведённые в 50–60-х годах исследования влияния радиации на живые организмы показали, что действие ионизирующих излучений реализуется через образование радикалов, возникающих при расщеплении молекулы воды. В это же время группой химиков во главе с лауреатом Нобелевской премии Н. Н. Семеновым была разработана теория цепного радикального окисления органических молекул, которая оказалась применимой для окисления липидов в составе клеточных мембран. Объединив данные положения, Б. Н. Тарусов (1900–1977) выдвинул концепцию о свободнора- дикальной патологии, которая вызывается усилением процессов свободнорадикального окисления. Положительные свойства свободных радикалов в живых организмах были открыты в 1972–1973 годах. В это время была показана связь дыхательного «взрыва» в фагоцитирующих клетках с наработкой активных форм кислорода (АФК). Оказалось, что микробицидная функция фагоцитов, осуществляющих защиту организма от бактериальных инфекций, во многом зависит от способности клеток нарабатывать супероксидный радикал и перекись водорода. Показано, что кислородные радикалы широко вовлечены в процессы неспецифической резистентности организма и иммунорегуляции. Более того,
снижение их продукции ослабляет неспецифический иммунитет и может являться причиной бактериального инфицирования. Показано, что свободные радикалы являются ключевыми элементами регуляции многих физиологических процессов на всех уровнях: от регуляции активности внутриклеточных ферментов до нервной регуляции сократительной функции желудка и внешнего дыхания. Такое разнонаправленное действие АФК получило название Янус-эффекта. Позже сравнения с двуликим Янусом были удостоены активные формы азота (NO, NO2°, NO+, NO-, ONOO-), а ещё позже — активные карбонильные соединения (метилглиоксаль,4-гидрокси-2,3-ноненаль, акролеин, формальдегид). Активные карбонильные соединения (АКС) содержат альдегидную или кето-группу, или обе группы сразу, как, например, метилглиоксаль. Карбонильный углерод обладает электрофильными свойствами и может атаковать нуклеофильные центры (азот амино- и имидазольных групп, а также серу тиоловых групп) в белках, нуклеиновых кислотах и липидах. В результате этих реакций биомолекулы изменяются — появляются новые химические группировки, внутри- и межмолекулярные сшивки. А изменённые молекулы уже не могут правильно работать [Космачевская О. В., Топунов А. Ф., 2019]. В организме АКС образуются как побочные продукты метаболизма глюкозы и некоторых аминокислот, а также перекисного окисления липидов. Их концентрация в клетке регулируется специальными системами, поэтому в норме они не причиняют вред. Однако при различных заболеваниях, например при сахарном диабете или хронической почечной недостаточности, АКС накапливаются в клетках и тканях в больших количествах, где атакуют биомолекулы и повреждают их. Чаще всего страдают «долгоживущие» белки, склонные накапливать АКС: белки соединительной ткани — коллаген и эластин, белок эритроцитов — гемоглобин и белок глазного хрусталика — α-кристаллин. В результате гемоглобин хуже отдаёт кислород, коллаген теряет эластичность, а кристаллин. В таблице 1 кратко показаны основные этапы зарождения свободнорадикальной биологии.
Таблица 1 История развития свободнорадикальной биологии [по Фархутдиновой Л. М., 2015] 1703 г. Немецкий врач и химик Георг Эрнст Шталь (1659– 1734) Учение о флогистоне, объяснявшее горение наличием в телах живой и неживой природы горючего вещества — флогистона, который выделяется в воздух при сжигании веществ, а дыхание — удалением лишнего тепла из организма. Учение Шталя господствовало в течение почти 100 лет, до конца XVIII в. 1772 г. Выдающийся английский химик Дж. Пристли (1733–1804) Обнаружил, что мышь не может дышать кислородом так же долго, как воздухом, и пришёл к выводу о том, что в кислороде жизнь сгорает слишком быстро 1775 г. Великий французский химик Антуан Лоран Лавуазье (1743–1794) Установил, что атмосферный воздух состоит из кислорода и азота, и горение обусловлено окислением горючих веществ в результате взаимодействия с кислородом воздуха. Дыхание, по кислородной теории Лавуазье, — это медленное горение, или окисление, в живом организме с образованием тепла и энергии 1900 г. Учёный-химик из США Мозес Гомберг (1866–1947) В ходе опытов с органическими веществами случайно получил свободные радикалы 1914 г. Учёный-химик Л. В. Пи- саржевский (1874–1938) Предложил электронно-ионную теорию окислительно-восстановительных реакций, согласно которой химическое взаимодействие между веществами — это обмен электронами 1930 г. Советский биохимик В. А. Энгельгард (1894–1984) Исследуя процессы окисления в клетке на примере эритроцитов птиц, сделал вывод, что поглощаемый клеткой кислород идет на образование аденозинтрифосфата (АТФ). Этот процесс получил название окислительного фосфорилирования
Продолжение табл. 1 1939 г. Советский биохимик В. А. Белицер (1906–1988) Показал, что при окислительном фосфорилировании происходит перенос электронов с пищевых биомолекул на кислород, и этот процесс с двухэлектронным восстановлением кислорода представляет собой основной способ получения энергии для всего живого мира 1939 г. Немецкий биохимик и химик органик Леонор Миха- элис (1875–1949) Изучая окислительные процессы в тканях животных, обнаружил, что они идут с образованием радикалов 1950-е годы советский биофизик Б. Н. Тарусов (1900–1977) Показал, что ионизирующее излучение вызывает в биологических объектах развитие свободнорадикальной реакции, являющейся важным фактором патогенеза лучевой болезни. Обладая мощным энергетическим влиянием, ионизирующая радиация активирует процессы окислительного фосфорилирования, что сопровождается усилением одноэлектронного восстановления кислорода. Сформулировал концепцию о «сво- боднорадикальной патологии», согласно которой свободнорадикальным реакциям принадлежит ведущая роль в развитии патологических процессов в клетке, органах и тканях. В настоящее время насчитывается более 200 болезней и патологических состояний, при которых установлено участие механизмов свободнорадикального окисления Советский физико-химик Н. Н. Семенов ( 1896–1986) и английский физико-химик С. Н. Хин- шелвуд (1887–1967), удостоенные Нобелевской премии 1956 г. Впервые объяснили взрывообразный характер свободнорадикального окисления механизмом разветвленной цепной реакции, получившей название « эффекта сплетен», в результате которого небольшое число первичных свободных радикалов вызывает взрывообразный рост их числа
Окончание табл. 1 1954 г. Американский исследователь Д. Харман Выдвинул теорию, согласно которой снижение активности антиоксидант- ной системы с возрастом приводит к повышению интенсивности свободно- радикального окисления 1960-е гг. нобелевский лауреат А. Сент-Дьердьи (1893–1986) Показал, что клетки используют образующийся в них метилглиоксаль для регуляции роста, деления и смерти. 1961 г. биофизик А. И. Журавлев Обнаружил антиоксилительную активность в животных организмах 1968 г. американские биохимики Джо Маккорд и Ирвин Фридович Показали, что сине-зелёный белок гемокупреин, долгое время считавшийся инертным отложением меди, обладает каталитической активно- стью. Он превращает супероксидные радикалы в пероксид и кислород 1969 г. Джо Маккорд и Ирвин Фридович Переименовали белок гемокупреин в фермент супероксиддисмутаза. Это единственный известный фермент, субстратом которого являются радикалы. Супероксиддисмутаза превращает супероксидные анион-радикалы в молекулярный кислород и перекись водорода, которая разрушается ферментами — каталазой и пероксидазой, что обрывает цепь свободноради- кального окисления 1988 г. Суе-Гоо Ре с коллегами из Национального института сердца, лёгких и крови в США Открыли новое семейство антиокси- дантных ферментов — пероксиредок- сины. В активном центре этих ферментов нет иона металла, зато есть два соседних атома серы, которые принимают электроны от маленького серосодержащего белка тиоредоксина. К середине 1990-х гг. похожие перок- сиредоксины были выделены из представителей всех доменов жизни. К настоящему времени известно не менее 200 генов родственных перок- сиредоксинов и определена последовательность пяти человеческих генов
Таким образом, свободнорадикальная биология впитала в себя большое количество противоречивых фактов и прошла длинный путь от теоретических догадок до осознания жизненно важной функции кислородных радикалов. Литература к главе 1 1. Зенков Н. К., Ланкин В. З., Меньщикова Е. Б. Окислительный стресс: Биохимический и патофизиологический аспекты. — М.: МАИК «Наука/Интерпериодика», 2001. — 343 с. 2. Космачевская О. В., Топунов А. Ф. Зарядка, холод, алкоголь — что общего? // Химия и жизнь. 2019; (6): 33–7. 3. Космачевская О. В., Шумаев К. Б., Топунов А. Ф. Сигнальное и регу- ляторное действие метилглиоксаля в эукариотических клетках (Обзор) // Прикладная биохимия и микробиология. 2017; 53 (3): 253–70. 4. Лэйн Ник. Кислород. Молекула, изменившая мир. — М.: Изд-во «Э», 2016. — 592 с. 5. Фархутдинова Л. М. Окислительный стресс. История вопроса // Вестник академии наук РБ. 2015; 20 (1): 42–9.
Доступ онлайн
185 ₽
В корзину