Токсические эффекты кислорода
Дуализм действия и восстановление молекулярного кислорода. Изучение образования супероксидного аниона, гидроксидного радикала, перекисного аниона или перекиси водорода. Возникновение атомарного кислорода и озона. Каталитическая активность фермента.
| Рубрика | Химия |
| Вид | реферат |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 08.04.2018 |
| Размер файла | 39,5 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Федеральное государственное бюджетное образовательное
учреждение высшего образования
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ МОРДОВСКИЙ
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. Н.П.ОГАРЕВА»
Факультет биотехнологии и биологии
Кафедра биотехнологии, биоинженерии и биохимии
Реферат
«Токсические эффекты кислорода»
Выполнила студентка
Славкина О.А.
Саранск 2017
Введение
Ганс Келлер, пионер глубоководного дайвинга (начало 60-х годов), был осведомлен о важности кислорода в физиологии организма человека и о его преимуществах при декомпрессии. Он с использовал этот газ в своих погружениях. Он окрестил кислород "принцессой газов", подчеркнув тем самым важность кислорода, его благотворный эффект, но также и необходимость обращаться с ним с осторожностью. Так как кислород - единственный газ, которым мы дышим, его концентрация должна довольно точно поддерживаться в весьма узких пределах, а обращаться с ним нужно с осторожностью. Именно чтобы подчеркнуть эти факты, мы и используем этот несколько аллегорический подход.
Основная роль кислорода - поддерживать процессы обмена веществ в организме. Кислород, поступающий в организм, подается в кровь в легких, а из крови - в ткани. Около 80% кислорода, поступившего в организм, преобразуются в углекислый газ, который выдыхается из легких. Количество кислорода, потребляемое телом (потребление кислорода) есть мера интенсивности обмена веществ в организме и количества производимой энергии. Обычно около 25% энергии, производимой телом, расходуются на мышечную работу, остальная энергия необходима для выделения тепла и поддержания других метаболических функций.
1. Дуализм действия молекулярного кислорода
Как фактор внешней среды O2 воздействует на современные живые организмы двояко: с одной стороны, он может быть абсолютно необходимым, с другой -- с молекулярным кислородом и его производными связаны токсические эффекты для клеток.
Молекулярный кислород. Существует ряд гипотез, объясняющих чувствительность прокариот к O2. Согласно одной из них молекулярный кислород сам является токсическим соединением, агрессивное действие которого связано со способностью окислять клеточные метаболиты, необходимые для функционирования в восстановленном состоянии. Токсический эффект O2 зависит от условий, при которых происходит взаимодействие с ним организмов: концентрации растворенного O2, длительности экспозиции, состава окружающей среды.
Токсичность молекулярного кислорода, например, может быть следствием активного акцептирования им электронов с растворимых переносчиков, функционирующих в процессах брожения, что будет приводить к истощению внутриклеточного пула восстановленных доноров электронов, необходимых для биосинтезов. Действительно, было обнаружено, что активность растворимых флавопротеинов, способных функционировать как НАД(Ф)-H2-оксидазы, повышалась в 5 -- 6 раз при выращивании Clostridium acetobutylicum в аэробных условиях сравнительно с анаэробными. Сдвиг под влиянием O2 электронных переносчиков в сторону их преимущественного нахождения в окисленном состоянии приводил к подавлению роста и изменению выхода продуктов брожения: прекращению синтеза масляной кислоты и накоплению более окисленного продукта -- уксусной кислоты.
Наконец, для проявления токсического эффекта O2 вполне достаточно окисления им какого-либо одного ключевого метаболита или фермента, приводящего к их инактивации. Известны три ферментные системы прокариот, особо чувствительные к молекулярному кислороду: нитрогеназа, гидрогеназа и рибулозодифосфаткарбоксилаза.
Нитрогеназная система, катализирующая фиксацию молекулярного азота, как известно, состоит из двух металлопротеинов: белка, содержащего железо и молибден, и белка, в состав которого входит только железо. Каждый белок необходим для проявления каталитической активности. Молекулярный кислород оказывает повреждающее действие на оба белка нитрогеназы, но более чувствителен к O2 Fe-белок.
Чувствительность белков нитрогеназы к O2 определяется прежде всего чувствительностью их металлоцентров, которые участвуют как в связывании субстрата, так и в переносе электронов. Поскольку при этом может происходить и ступенчатое восстановление O2 по одноэлектронному механизму, в качестве продуктов такого восстановления возникают супероксидные ионы, перекись водорода и синглетный кислород, вносящие свой вклад в окислительное повреждение нитрогеназы.
Нитрогеназные белки являются не единственным компонентом азотфиксирующей системы, чувствительным к O2. Ферредоксины и флаводоксины, донирующие электроны на нитрогеназу, могут автоокисляться и подвергаться необратимым окислительным повреждениям.
Гидрогеназы многих прокариот также обнаруживают высокую чувствительность к молекулярному кислороду, которая in vitro в большой мере зависит от метода выделения и степени очистки. Как правило, более устойчивы к O2 неочищенные ферментные препараты. По сравнению с мембрансвязанным ферментом устойчивость к O2 гидрогеназы, отделенной от мембраны, обычно ниже. Фермент, полученный из клеток анаэробов, более чувствителен к O2, чем выделенный из клеток аэробных прокариот.
Каталитическая активность рибулозодифосфаткарбоксилазы, фермента, катализирующего фиксацию CO2 у подавляющего большинства автотрофных прокариот, зависит ст парциальных давлений СO2 и O2. При высокой концентрации O2 и низкой -- CO2 преобладает оксигеназная реакция:
Молекулы O2 и СO2 конкурируют за каталитический центр фермента. И хотя сам фермент не обнаруживает повышенной чувствительности к молекулярному кислороду и, следовательно, не повреждается при его высокой концентрации, увеличение O2 в среде приводит к изменению функционирования рибулозодифосфаткарбоксилазы. Протекание ферментативной реакции по оксигеназному пути приводит к истощению клеточного пула молекул рибулозодифосфата и, как следствие этого, понижению активности восстановительного пентозофосфатного цикла в клетке.
Помимо существования в основной форме в биологических реакциях и под действием различных физико-химических факторов возникают продукты неполного восстановления O2, более реакционно способные и обладающие высокой токсичностью для клетки. Как известно, для полного восстановления молекулярного кислорода, приводящего к образованию молекулы воды, требуются 4 электрона:
O2 + 4H+ + 4e- 2H2O
2. Супероксидный анион
Если восстановление молекулярного кислорода происходит ступенчато, то при переносе 1 электрона на O2 образуется надпероксидный (супероксидный) анион:
O2 + e- O2-.
Последний содержит неспаренный электрон, поэтому является отрицательно заряженным радикалом (анион-радикалом). Он может протонироваться с образованием нейтрального гидропероксидного радикала:
O2-. + H+ HO2.
В последнее время признание получила точка зрения, согласно которой основную опасность для организмов представляют продукты, образующиеся при одноэлектронном восстановлении молекулы O2, одним из которых является супероксидный анион.
Можно назвать много биохимических реакций, приводящих к его возникновению. Супероксидные анионы генерируются при взаимодействии с молекулами O2 различных компонентов (восстановленные флавины, хиноны, тиолы, FeS-белки), а также в реакциях, катализируемых рядом флавопротеиновых ферментов. Наконец, в процессе фотосинтеза имеет место поток электронов. Большинство реакций фотосинтеза -- это реакции одноэлектронного переноса. Поэтому в системе часто возникают супероксидные анионы. Помимо реакций биологической природы O2-.могут возникать вне клетки в водных растворах при воздействии на них ультразвуком, в результате фотохимических, химических и электрохимических процессов.
Опасность любых реакционно активных соединений в значительной степени зависит от их стабильности. В этом плане ионы O2-. весьма опасны, так как время их "жизни" в водной среде продолжительнее, чем у остальных O2-производных радикалов. Поэтому экзогенно возникшие O2-.могут проникать в клетку и (наряду с эндогенными) участвовать в реакциях, приводящих к различным повреждениям: перекисном окислении ненасыщенных жирных кислот, окислении SH-групп белков, повреждении ДНК и др. Токсичность супероксидных анионов может увеличиваться за счет вторичных реакций, ведущих к образованию гидроксидных радикалов (OH.) и синглетного кислорода (*O2).
Многие прокариоты, относящиеся к разным физиологическим группам, в том числе и строго анаэробные виды, имеют специфическую защиту в виде фермента супероксиддисмутазы, осуществляющего перехват ионов O2-. и катализирующего их дисмутацию. Образующиеся супероксидные анионы дисмутируют в реакции, протекающей спонтанно (3) или катализируемой супероксиддисмутазой (4):
O2-. + O2-. + 2H+ H2O2 + *O2; (3)
O2-. + O2-. + 2H+ H2O2 + O2. (4)
Различия между обеими реакциями в их скоростях (скорость ферментативной реакции приблизительно на четыре порядка выше, чем спонтанной), а также в том, что при спонтанной реакции дисмутации одним из первоначально возникающих продуктов является синглетный кислород, в то время как при ферментативной реакции образующийся кислород находится в основном триплетном состоянии.
3. Гидроксидный радикал
Супероксиданион может взаимодействовать с H2O2 с образованием гидроксидного радикала (OH.), превосходящего O2-.по окислительной активности и токсичности:
O2-. + H2O2 + H+ O2 + H2O + OH.. (5)
Источником возникновения ОН. могут служить реакции одноэлектронного окисления перекиси водорода, катализируемые железосодержащими соединениями, всегда имеющимися в клетках:
H2O2 + Fe2+ Fe3+ + OH- + OH.. (6)
Помимо указанных выше реакций гидроксидные радикалы образуются также при радиолизе воды и в низких концентрациях обычно присутствуют в водных растворах. OH. из всех известных окислителей является самым сильным, вызывающим радиационные повреждения многих типов биополимеров.
4. Перекись водорода
Перенос 2 электронов на O2 приводит к образованию перекисного аниона (7) или перекиси водорода (8):
O2 + 2e- O22-; (7)
O2 + 2H+ + 2e- H2O2. (8)
Катализировать перенос 2 электронов на O2 могут содержащиеся в клетках прокариот оксидазы флавиновой природы и некоторые цитохромы. Источником H2O2 могут быть реакции автоокисления некоторых негемовых FeS-белков, а также описанные выше реакции дисмутации супероксидных радикалов (реакции 3 и 4). Перекись водорода образуется у всех аэробов и факультативных анаэробов, растущих в аэробных условиях, так что ее возникновение в клетках прокариот -- естественный процесс.
Перекись водорода -- наиболее стабильный из промежуточных продуктов восстановления O2, но и наименее реакционноспособный. У большинства аэробных прокариот H2O2 быстро разлагается с помощью гемсодержащих ферментов каталазы и пероксидазы. В отсутствие их H2O2может накапливаться в летальных для организма концентрациях.
H2O2 вызывает окисление SH-групп в белках, перекисное окисление ненасыщенных жирных кислот. Однако эти реакции протекают с измеримыми скоростями, если концентрация H2O2 в клетке будет на четыре порядка выше той, которая обычно достигается in vivo. Поэтому не исключено, что перекись водорода опасна не из-за прямого взаимодействия с компонентами клетки, а потому, что, реагируя с O2-. (реакция 5) или ионами Fe2+ (реакция 6), может приводить к образованию гидроксидного радикала.
В 20-х гг. большой популярностью пользовалась теория, объясняющая токсичность O2 накоплением в клетке перекиси водорода. Однако позднее были обнаружены более токсичные для клетки формы O2 среди первичных и вторичных продуктов его одноэлектронного восстановления (O2, OH., *O2).
5. Синглетный кислород
В норме O2 находится в стабильном состоянии, называемом триплетным и характеризующемся наименьшим уровнем молекулярной энергии. В определенных условиях молекула O2 переходит в одно из двух возбужденных синглетных состояний (*O2), различающихся степенью энергизованности и длительностью "жизни". У большинства живых клеток в темноте основным источником синглетного кислорода служит спонтанная дисмутация супероксидных анионов (см. реакцию 3). Синглетный кислород может возникать также при взаимодействии двух радикалов:
O2-. + OH. OH- + *O2. (9)
Вероятно, любая биологическая система, в которой образуется O2, может быть активным источником синглетного кислорода. Однако последний возникает и в темновых ферментативных реакциях в отсутствие O2.
Давно было известно, что на свету токсичность молекулярного кислорода для живых организмов повышается. Этому способствуют находящиеся в клетке вещества, поглощающие видимый свет, -- фотосенсибилизаторы. Многие природные пигменты могут быть фотосенсибилизаторами. В клетках фотосинтезирующих организмов активными фотосенсибилизаторами являются хлорофиллы и фикобилипротеины. Окисление биологически важных молекул под влиянием видимого света в присутствии молекулярного кислорода и фотосенсибилизатора получило название фотодинамического эффекта.
Фотосенсибилизаторы -- молекулы, способные поглощать свет и индуцировать химические реакции, которые в их отсутствие не происходят. Способность поглощать свет обусловлена наличием в молекулах хромофорных группировок, содержащих обычно циклические ядра. Известно более 400 веществ, обладающих свойствами фотосенсибилизаторов. Среди природных веществ фотосенсибилизаторами являются хлорофиллы, фикобилины, порфирины и промежуточные продукты их синтеза, ряд антибиотиков, хинин, рибофлавин и др. Некоторые фотосенсибилизаторы действуют только в присутствии O2, вызывая фотодинамический эффект.
Поглощение видимого света приводит к переходу молекулы фотосенсибилизатора в возбужденное синглетное состояние (*Д):
Д+h *Д
Молекулы, перешедшие в синглетное состояние, могут возвращаться в основное (Д) или переходить в долгоживущее триплетное состояние (*Д), в котором они фотодинамически активны. Установлено несколько механизмов, с помощью которых возбужденная молекула (*Д) может вызывать окисление молекулы субстрата. Один из них связан с образованием синглетного кислорода. Молекула фотосенсибилизатора в триплетном состоянии реагирует с O2 и переводит его в возбужденное синглетное состояние:
TД + O2 Д + *O2.
Синглетный кислород окисляет молекулу субстрата (В):
B +*O2 ВO2.
Фотодинамический эффект обнаружен у всех живых организмов. У прокариот в результате фотодинамического действия индуцируются повреждения многих типов: утрата способности формировать колонии, повреждение ДНК, белков, клеточной мембраны. Причина повреждений -- фотоокисление некоторых аминокислот (метионина, гистидина, триптофана и др.), нуклеозидов, липидов, полисахаридов и других клеточных компонентов.
Клетки содержат вещества, выполняющие функцию тушения синглетного кислорода и понижающие возможность структурных и иных повреждений, вызываемых им. Одним из "тушителей" синглетного кислорода служат каротиноиды, защищающие фотосинтезирующие организмы от летальных эффектов, фотосенсибилизируемых хлорофиллом. Перехватчиками *O2 являются также различные биологически активные соединения: липиды, аминокислоты, нуклеотиды, токоферолы и др.
6. Озон и атомарный кислород
Продуктами молекулярного кислорода являются также атомарный кислород (O) и озон (O3). Известно, что молекулярный кислород сильно поглощает свет в дальней УФ-области (160-240 нм). Поглощенный фотон вызывает диссоциацию молекулы кислорода на два атома. Затем спонтанно протекает реакция, приводящая к образованию молекулы озона:
O2 + O ? O3
Озон может возникать из молекулярного кислорода в воздухе при сильных электрических разрядах, а также при электролизе воды и в некоторых реакциях, где он сопровождает образование O2. В некоторых реакциях окисления с помощью озона образуется синглетный кислород. Как окислители озон и атомарный кислород сильнее O2. Озон может реагировать практически со всеми типами соединений с образованием радикалов.
Заключение
Принимая во внимание сильное влияние кислорода на метаболизм, факт, что в избыточных дозах он может быть токсичным, является закономерным. Все живые существа имеют энзимы и иные механизмы, защищающие организм от токсического воздействия кислорода. Особенного внимания заслуживают простейшие организмы, которые преуспели в создании защитных систем. Для нейтрализации токсических форм О2 существующие прокариоты выработали различные механизмы, которые могут быть разделены на несколько типов:
- В клетке активизируются специальные ферменты, для которых разложение токсических форм О2 является основной и в ряде случаев единственной функцией.
- Для разрушения токсических форм О2 используются определенные клеточные метаболиты. Как правило, в этом случае участие в защите клетки от токсических эффектов производных О2 является не единственной функцией этих метаболитов.
- Ряд приспособлений, выработанных прокариотами на разных уровнях: популяционном, физиологическом, структурном, сформированных для других целей, но оказавшихся полезными и для детоксикации О2.
Изучение данных механизмов имеет большое практическое значение для медицины и биологии в целом.
молекулярный кислород анион водород
Список использованных источников
1. Гусев М. В. Микробиология / М. В. Гусев, Л. А. Минеева - М., МУ, 1992, с.489
2. Скулачев В.А. Мембранная биоэнергетика: Учебное пособие / В. А. Скулачев - М.: Изд-во МГУ, 2010, 368 с.
3. Северин Е. С. Биохимия: Учебник / под ред. Е.С. Северина, 2009,548 с.
4. Комов В.П. Биохимия: учеб. Для вузов/В.П. Комов, В.Н. Шведова. - М.: Дрофа, 2014, 489 с.
5. Плакунов В.К. Основы энзимологии / В. К. Плакунов. - М.: Логос, 2002, 317 с.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Роль кислорода как самого распространенного элемента на Земле в жизни планеты, его место в периодической системе Менделеева. Применение кислорода в лечебной практике и промышленности. Основные способы получения кислорода. История открытия кислорода.
презентация [321,4 K], добавлен 12.12.2011Влияние кислорода на полимеризацию с катализаторами. Особенности образования соединений ванадия высшей валентности. Зависимость эффективных констант скорости полимеризации этилена. Порядок подачи компонентов катализатора и кислорода в реакционную зону.
статья [362,6 K], добавлен 22.02.2010Обоснования электрохимического способа получения водорода и кислорода электролизом воды. Характеристика технологической схемы. Выбор электролизера. Подготовка сырья (чистой воды) и первичная переработка, получающихся при электролизе водорода и кислорода.
курсовая работа [335,9 K], добавлен 12.12.2011К.В. Шееле как выдающийся немецкий химик, краткий очерк его жизни, этапы личностного и научного становления, значение в открытии кислорода. Исследование свойств кислорода английским свящeнником и химиком Джoзефом Пpистли. Лавуазье и открытие кислорода.
контрольная работа [30,6 K], добавлен 26.12.2014Реакция присоединения протона енолят-аниона к атому углерода или кислорода, механизм их взаимодействия с алкилгалогенидами. Сущность и примеры таутомерного превращения. Реакции альдольного присоединения и конденсации, катализаторы и частный случай.
лекция [137,1 K], добавлен 03.02.2009Сущность и виды окисления - химических реакций присоединения кислорода или отнятия водорода. Ознакомление с методами восстановления металлов в водных и соляных растворах. Изучение основных положений теории окислительно-восстановительных реакций.
реферат [130,1 K], добавлен 03.10.2011Современные процессы получения серы и кислорода, как в промышленности, так и в лабораторных условиях. Общая характеристика технологических процессов, их сравнительное описание и отличительные особенности, химическое обоснование и оценка актуальности.
доклад [37,7 K], добавлен 14.01.2016Знакомство с особенностями разработки озонохемилюминесцентного метода контроля органических соединений. Химическое потребление кислорода как общая концентрация кислорода, соответствующая количеству бихромата. Анализ критериев оценки качества воды.
дипломная работа [723,1 K], добавлен 04.01.2015Кислород как самый распространённый на Земле элемент. Аллотропные формы кислорода. Его широкое промышленное применение. Сварка и резка металлов. Последствия исчезновения для живых существ данного химического элемента на краткосрочный период времени.
презентация [5,0 M], добавлен 28.12.2013Распространение кислорода в природе, его характеристика как химического элемента и простого вещества. Физические свойства кислорода, история его открытия, способы собирания и получения в лабораторных условиях. Применение и роль в организме человека.
презентация [1,2 M], добавлен 17.04.2011История открытия кислорода. Нахождение элемента в таблице Менделеева, его вхождение в состав других веществ и живых организмов, распространенность в природе. Физические и химические свойства кислорода. Способы получения и области применения элемента.
презентация [683,8 K], добавлен 07.02.2012Хром - твёрдый блестящий металл. Хром входит в состав нержавеющих, кислотоупорных, жаропрочных сталей. Соединения хрома. Кислород – самый распространенный элемент земной коры. Получение и свойства кислорода. Применение кислорода.
доклад [14,8 K], добавлен 03.11.2006Кислород как самый распространённый элемент земной коры, процесс его возникновения и массовая доля в воздухе. Физические и химические свойства кислорода, его реагентность. Растворённый кислород как из важнейших показателей качества воды, его измерение.
курсовая работа [502,8 K], добавлен 04.05.2010Переход аллотропной модификации. Электрические, магнитные, оптические, физико-механические, термические свойства алмаза. Изучение структуры графита, его антифрикционные и химические свойства. Образование, применение озона и кислорода. Аллотропия углерода.
реферат [26,0 K], добавлен 17.12.2014Описание процесса определения концентрации растворенного кислорода химическим методом Винклера. Точность метода Винклера, возможные ошибки, нижняя граница определения. Мешающее действие редокс-активных примесей: железо, нитриты, органические вещества.
отчет по практике [16,8 K], добавлен 15.01.2009Изучены явления химического распыления материалов, определены параметры, характеризующие интенсивность процесса химического распыления. Проведено ознакомление на основании рекомендованной литературы с основными космическими и лабораторными экспериментами.
дипломная работа [1,0 M], добавлен 22.08.2017Активные формы, функции и механизмы возникновения кислорода. Типы окислительных реакций. Антиоксидантная система организма, факторы клеточной защиты. Антиоксидантные ферменты крови. Виды свободных радикалов. Процессы перекисного окисления липидов.
курсовая работа [56,0 K], добавлен 29.09.2015Углеводы как органические вещества, молекулы которых состоят из атомов углерода, водорода и кислорода, знакомство с классификацией: олигосахариды, полисахариды. Характеристика представителей моносахаридов: глюкоза, фруктовый сахар, дезоксирибоза.
презентация [1,6 M], добавлен 18.03.2013Процесс электролиза воды с получением водорода и кислорода, его описание и основные этапы, анализ соответствующего суммарного уравнения. Понятие и типы электрохимических ячеек, их структура. Окисление хлорид-ионов на графитовом электроде и его продукты.
реферат [78,3 K], добавлен 09.05.2014Особенности атмосферы Земли. Химический состав и основные оболочки атмосферы. Квантовый выход как важнейший параметр фотохимической реакции. Фотохимия кислорода и озона в атмосфере. Фотохимические реакции и процессы с участием метана и оксидов азота.
реферат [26,8 K], добавлен 27.05.2010
