Окислительно-восстановительные превращения аскорбиновой кислоты и ее антиоксидантные функции

Аскорбиновая кислота — белое кристаллическое, очень кислое на вкус вещество без запаха. Вопреки своему названию она не имеет карбоксильной группы и своими кислотными свойствами обязана ендиольному фрагменту, в котором гидроксильная группа при третьем углеродном атоме легко отдает протон и имеет константу диссоциации (рК^ равную 4,17. Таким образом, при pH выше 4,17 аскорбиновая кислота находится преимущественно в диссоциированном состоянии (рис. 38). Аскорбиновая кислота хорошо растворима в воде, в 10 раз хуже растворима в спирте, не растворима в масле и органических растворителях. В диссоциированной форме она поглощает ультрафиолет с максимумом при 265 нм, а в недиссоциированной (то есть при pH ниже 4) — при 245 нм.

Аскорбиновая кислота стабильна в сухом виде и в кислой среде, а в нейтральных и слабощелочных растворах она быстро окисляется. В результате одноэлектронного окисления АК превращается в монодегидроаскорбиновую кислоту (МДАК) — вещество, представляющее собой свободный радикал (рис. 39). Этот радикал не вызывает

Реакция диссоциации аскорбиновой кислоты (по

Рис. 38. Реакция диссоциации аскорбиновой кислоты (по: Streller, Roth, 2009) цепной свободнорадикальной реакции, так как он относительно инертен для радикала. Стабильность ему придает делокализация электронного облака. Тем не менее МДАК недостаточно стабильна, чтобы накапливаться в значительных количествах при окислении АК. Этот радикал димеризуется. Одна молекула в димере передает электрон другой. В результате такой реакции диспропорционирования донирующая электрон молекула МДАК окисляется глубже, превращаясь в дидегидроаскорбино- вую кислоту (ДАК), а другая молекула МДАК восстанавливается до АК. Затем димер распадается: 2 МДАК<-> АК + ДАК. Равновесие этой химической реакции сильно сдвинуто вправо, поэтому содержание АК и ДАК в клетках в тысячи раз превышает содержание МДАК.

Восстановительный потенциал для пары МДАК/АК составляет 0,166 В. Таким образом, АК отвечает критериям первичного антиоксиданта: имеет невысокий восстановительный потенциал, то есть является донором электронов, а возникающий при ее окислении свободный радикал обладает низкой реактивностью.

В клетках и растений, и животных существуют механизмы регенерации окисленной аскорбиновой кислоты. У растений МДАК восстанавливается следующими способами:

  • 1) в хлоропластах МДАК восстанавливается в фотосистеме I, принимая электроны от ферредоксина, то есть в результате работы электрон-транспортной цепи (см. рис. 2);
  • 2) апопластная МДАК может восстанавливаться за счет электронов электрон- транспортной цепи плазмалеммы (см. рис. 43);
  • 3) восстановление МДАК может происходить при окислении ЫАЭН с участием специфических редуктаз. Редуктазы МДАК обнаружены в разных клеточных ком- партментах: в хлоропластах, митохондриях, пероксисомах, цитозоле.

ДАК также подвергается химическим превращениям. Она может быть восстановлена до АК с помощью редуктазы ДАК в результате окисления трипептида глутатиона. Если ДАК не восстанавливается, то она быстро подвергается спонтанной или ферментативной делактонизации, превращаясь в 2,3-дикетогулоновую кислоту (рис. 39). Дальнейшие преобразования приводят к разрыву углеродного скелета между С2 и СЗ либо между С4 и С5. Важнейшими продуктами окислительного распада

Реакции окисления аскорбиновой кислоты (по

Рис. 39. Реакции окисления аскорбиновой кислоты (по: Streller, Roth, 2009).

АК — восстановленная аскорбиновая кислота, ДАК — дидегидроаскорбиновая кислота, ДКГК — 2,3-дикетогулоновая кислота, МДАК — монодегидроаскорбиновая кислота

ДАК являются щавелевая и винная кислоты. Таким образом, аскорбиновую кислоту можно рассматривать как основной метаболический предшественник этих соединений.

В клетках аскорбиновая кислота выполняет целый ряд важных антиоксидантных функций:

1) обрывает цепные реакции окисления органических соединений:

2) прямо реагирует с АФК, например с гидроксил-радикалом:

Особенно детально охарактеризована способность аскорбиновой кислоты к детоксикации озона (03), происходящей в клеточных стенках растений;

  • 3) АК может восстанавливать другие важные антиоксиданты — фенольные вещества и витамин Е. Благодаря способности восстанавливать витамин Е аскорбиновая кислота, хоть и является гидрофильным соединением, фактически препятствует окислению мембранных липидов (рис. 40);
  • 4) АК служит субстратом аскорбатпероксидазы — основного фермента, с помощью которого в тканях растений удаляется пероксид водорода:
Механизм торможения аскорбиновой кислотой пероксидации липидов (по

Рис. 40. Механизм торможения аскорбиновой кислотой пероксидации липидов (по: Бгагка е. а., 2012)

Аскорбатпероксидаза была открыта в 1979 г. Это один из важнейших ферментов антиоксидантной защиты растений.

Аскорбатпероксидаза (ЕС 1.11.1.11) относится к I классу гемсодержащих перокси- даз. Пероксидазы I класса — внутриклеточные ферменты, которые, в отличие от экс- траклеточных пероксидаз III класса (то есть от гваяколпероксидаз, подробно рассмотренных в разделе 1.5), не имеют сигнального пептида, адресующего белки в клеточную стенку, и дисульфидных мостиков, не содержат Са2+. Аскорбатпероксидазы выявлены у широкого круга растительных организмов, от зеленых водорослей до цветковых. Кроме того, они обнаружены у красных водорослей и у некоторых протистов.

У хлорофитовых в геноме обычно содержится 2-3 гена, кодирующих аскорбат - пероксидазы, у споровых — не более 7, у хвойных — до 4, у арабидопсиса — 9: два в цитозоле, два в пероксисомах, один стромальный, один связанный с мембраной ти- лакоида, один в полости тилакоида, локализация двух оставшихся неизвестна. У риса 8 генов кодируют аскорбатпероксидазы, локализованные в пероксисомах, хлоропла- стах, митохондриях и цитозоле.

Отличить в гомогенате активность аскорбатпероксидазы от активности гваякол- пероксидазы непросто. Дело в том, что гваяколпероксидаза в присутствии фенольных веществ также будет окислять аскорбат. Почему? Она окисляет фенолы до феноксиль- ных радикалов (РЬО*, см. рис. 6), а феноксильные радикалы, подобно витамину Е, восстанавливаются, окисляя аскорбиновую кислоту. Следовательно, если в среде преобладает аскорбиновая кислота, то окисляется только она, а фенольные вещества играют роль кофакторов, не изменяясь в итоге такой реакции. В отсутствие фенольных соединений гваяколпероксидаза не может окислить аскорбат. Если очистить экстракт от фенольных соединений, то окисление аскорбиновой кислоты пероксидом водорода будет происходить только с помощью аскорбатпероксидазы. Однако очистить растительный экстракт от фенолов трудно. Поэтому обычно для различения этих активностей используют ингибиторный анализ.

Активность аскорбатпероксидазы подавляется пара-хлормеркурибензоатом (р-сЫоготегсипЬепгоа1е — РСМВ) и другими ингибиторами, взаимодействующими с БН-группами белков, так как в ее активном центре находится остаток цистеина. Гваяколпероксидаза к этим ингибиторам не чувствительна. Поэтому активность аскорбатпероксидазы в растительном экстракте определяют как разность скоростей окисления аскорбиновой кислоты пероксидом водорода в отсутствие и в присутствии РСМВ.

Аскорбатпероксидазы быстро разрушаются, если концентрация их субстрата оказывается ниже 20 мкМ, причем наиболее уязвимы хлоропластные и митохондриальные ферменты. В отсутствие аскорбата в среде цитозольные и пероксисомные ферменты теряют половину своей активности примерно за час, а хлоропластные и митохондриальные — за 30 с.

У растений кроме аскорбатпероксидазы есть еще один фермент, специфическим субстратом которого служит аскорбат. Этот фермент — аскорбатоксидаза, которая катализирует следующую реакцию:

Аскорбатоксидаза относится к семейству голубых, медьсодержащих оксидаз. К этому же семейству медьсодержащих белков относятся полифенолоксидазы, пла- стоцианин электрон-транспортной цепи хлоропластов, церулоплазмин плазмы крови человека и млекопитающих. В организме человека в церулоплазмине сосредоточена большая часть меди. Этот белок обладает слабой аскорбатоксидазной активностью.

Аскорбатоксидаза — гликозилированный гомодимер, в каждой субъединице которого находится 4 иона меди, то есть в сумме 8. Этот фермент есть у всех изученных растений. Особенно активна она у тыквенных (огурец, тыква, дыня) и пасленовых (табак). Фермент сосредоточен в клеточной стенке. Результаты опытов с трансгенными растениями доказали, что аскорбатоксидаза регулирует соотношение АК/ДАК в апопласте. Так, в норме в клеточных стенках табака АК составляет 40% от суммарного аскорбата (АК +ДАК), у растений с подавленной активностью аскорбатоксида- зы — 70%, а у растений со сверхэкспрессией аскорбатоксидазы — 3%.

Таким образом, аскорбиновая кислота выполняет целый ряд важных антиоксидантных функций. Поэтому ее дефицит в нашем организме приводит к окислительному стрессу, повышает вероятность возникновения онкологических и сердечно-сосудистых заболеваний, катаракты. Кроме антиоксидантных у АК есть и другие функции. Рассмотрим важнейшие из них.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >