Лекция «Ферменты антиоксидантной системы защиты организма. Глутатионпероксидазы.»

Лекция «Ферменты антиоксидантной системы защиты организма. Глутатионпероксидазы.»

Одной из важнейших составных частей АО системы защиты организма являются специальные ферментные системы. Их функционирование направлено на снижение стационарных концентраций тех «активных форм», которые могут участвовать в инициировании нежелательных окислительных процессов, или могут участвовать в реакциях продолжения цепи. Одной из важнейших составных частей биоантиоксидантной системы организма является семейство ферментов – глутатионпероксидаз, которые катализируют ферментативный распад органических гидропероксидов и пероксида водорода до неактивных в плане окисления молекул.

I. Глутатионпероксидаза

Важную роль в системе АОЗ играет глутатионпероксидаза (ГПО). Впервые этот фермент был выявлен Милсом в 1957 г. Одной из первых важнейших функций, которые были для неё обнаружены – защита HbA₁ в эритроцитах от повреждающего действия Н₂О₂. ГПО представлена изоферментными формами, которые обозначим как GPO и PhGPO. Они отличаются по строению, происхождению (генетическая информация об их структуре содержится в различных хромосомах), селективности действия, активности, локализации, но катализируют одну и ту же реакцию – разложение органических гидропероксидов и Н₂О₂. В качестве кофактора эти ферменты используют глутатион, без которого реакция не осуществима.

1) PhGPO – мономерный Se-содержащий белок с Mr = 23 кДа. Ген, кодирующий данный белок находится на 19 хромосоме.

2) GPO – является тетрамерным белком с M_r = 85 кДа. Каждая субъединица ≈ 21 кДа. Тетрамерный белок кодируется геном gp×1, локализованным в хромосоме 3.

Таблица 1 – Кинетические параметры, характеризующие субстратную специфичность глутатионпероксидазы – PhGPO.

субстрат	константа скорости реакции разложения k, (мМ^-1∙мин^-1)
Н₂О₂	1.8∙10⁵
гидроперекись линолевой кислоты	1.8∙10⁶
гидроперекись фосфатидилхолина	8∙10⁵

Каждая субъединица PhGPO имеет один атом Se в виде селеноцистеина. В качестве донора водорода GPO и PHGPO используют глутатион, который, в свою очередь, восстанавливается НАДФН∙Н⁺ с помощью глутатионредуктазы (см. реакцию ниже). Основные особенности глутатионпероксидаз:

а) GPO обладает широкой субстратной специфичностью, кроме Н₂О₂, катализирует двухэлектронное восстановление различных органических гидропероксидов и гидропероксидов свободных полиненасыщенных ВЖК, что отображает реакция (1). Гидропероксиды ВЖК в составе фосфолипидов не являются субстратами Se-содержащей ГПО. Поэтому для ее работы с фосфолипидами требуется действие фермента класса гидролаз фосфолипазы А₂, который локализуется в плазматической мембране.

б) PhGPO атакует преимущественно гидропероксиды фосфолипидов в клеточных мембранах. Однако может расщеплять и пероксид водорода, смотреть реакцию (2)

в) Кроме этих функций, глутатионпероксидазы принимают важную роль в образовании ключевых биорегуляторов в организме – метаболитов арахидоновой кислоты.

Механизм каталитического действия глутатионпероксидаз:

Кажущиеся константы скорости реакции, катализируемой GPO печени хомяка:

Таким образом, мономерная глутатионпероксидаза, PhGPO, ориентирована в основном на расщепление гидропероксидов липидов, которые локализованы в мембранах, хотя может расщеплять и другие гидропероксиды. Тетрамерная глутатионпероксидаза, GPO, в основном разрушает гидропероксиды высших жирных кислот.

В плазме крови также выявлен изофермент, отличающийся иммунологически от GPO. Апофермент этого фермента – гликопротеид. Содержание ГПО: печень > эритроциты > почки > желудок > сердце ≈ легкие ≈ мозг > плазма > мышцы. ≈ 75% активности в цитозоле, 25% в митохондриях.

Падение активности ГПО коррелирует с увеличением скорости ПОЛ. Уровень ГПО в тканях чрезвычайно чувствителен к алиментарному поступлению Se в организм. Se-дефицитная диета животных приводит к понижению активности ГПО и наоборот. Степень снижения активности ферментов неодинакова и по чувствительности к селену: плазма > печень > почки > сердце ≈ легкие > эритроциты. При введении таким животным селента или селенметионина уровень ГПО восстанавливался через 48 часов.

Предполагаемые механизмы, как Se включается в фермент:

1) Посттрансляционное включение Se после синтеза белка.

2) Включение Se-цис в ходе трансляции (более вероятно).

Наряду с рассмотренными Se-зависимыми GPO и PHGPO в организме присутствует ряд других ферментов, выполняющих сходную функцию. К таким ферментам относят глутатион-S-трансферазы. В их состав Se не входит.

Они катализируют:

- реакции конъюгации глутатиона с электрофильными субстратами;

- восстановление органических гидропероксидов и эндоперекисей.

Но они неактивны по отношению к Н₂О₂.

Часто называют Se-независимыми ГПО.

Цитоплазматическая глутатион-S-трансфераза представлена семейством изоферментов:

- α (основные) - μ (нейтральные) - π (кислые)

димеры с M_r = 2×25 кДа

При Se-дефицитной диете активность глутатион-S-трансферазы увеличивается – видимо, компенсаторная реакция.

Глутатионпероксидазы – наиболее филогенетически старые белки, обнаружены в следующих организмах:

- бактерии;

- позвоночные;

- простейшие (амеба, эвглена).

Для эффективного функционирования различных ГПО необходим высокий уровень восстановленного глутатиона. В модельных реакциях для функционирования фермента необходимо 1-3 мМ GSH. В клетке соотношение GSH/GSSH ≈ 10.

Восстановление реализуется в реакции:

В норме стационарный уровень GSH в клетке 5-10 мМ.

Наряду с GSH, его функцию частично может выполнять дигидролипоевая кислота.