Пероксидазы и каталазы в каких продуктах
Электронный Парамагнитный резонанс в биологии
Оба эти фермента распространены в живой природе очень широко: каталаза обнаружена практически во всех живых организмах — как животных, так и растительных, а пероксидаза встречается почти во всех растительных клетках. По всей вероятности, эти два фермента принадлежат к числу самых важных ферментов. Они очень сходны между собой, так как роль просте — тической группы в обоих случаях играет гем. В настоящем разделе мы будем рассматривать их совместно, хотя по сути дела они относятся к двум разным группам: каталаза катализирует реак — цшо расщепления (она расщепляет перекись водорода на воду и кислород), а пероксидаза — реакцию переноса группы (в присутствии подходящего акцептора она катализирует перенос кислорода на этот акцептор, который таким образом окисляется). Функция каталазы состоит в защите живого организма от слишком высоких концентраций перекиси водорода, являющейся продуктом действия различных оксидаз. Этот фермент сравнительно легко можно выделить из таких источников, как печень быка, и получать в кристаллической форме. Каталаза обладает высокой специфичностью по отношению к перекиси водорода: она не катализирует разложения никаких других перекисей, а при реакции с перекисью водорода активность ее исключительно высока. Так,
Фиг. 85. Структура гема.
Расположенный в центре атом железа окружен четырьмя атомами азота. По пятой и шестой координационным связям атома железа могут присоединяться различные группы (гл. 6).
При 0° С одна молекула каталазы может разложить за 1 мин 5 млн. молекул перекиси водорода. Это одна из самых высоких скоростей оборота, известных в настоящее время.
Активность каталазы определяется ее простетической группой, имеющей плоскую структуру (фиг. 85). Эта группа — гем — содержит центральный атом железа, окруженный четырьмя атомами азота. Следует, таким образом, ожидать, что ферментативная активность каталазы будет связана с изменениями валентности этого центрального атома железа и что в спектрах ЭПР этого фермента будут наблюдаться как свободнорадикальные сигналы, так, возможно, и сигналы от атомов железа в различных валентных состояниях. Структура пероксидазы в этом отношении очень похожа на структуру каталазы, так как ее простетической группой также является гем, и, судя по данным химических исследований, превращения фермент-субстратного комплекса, образующегося в процессе пероксидазной реакции, должны сопровождаться изменениями валентности атома железа.
Поскольку оба фермента могут быть получены в высокоочи — яценной кристаллической форме, их исследовали самыми различ — яыми методами. Но оказалось, что стандартные химические методы не дают возможности полностью выяснить механизм действия этих ферментов. В результате систематических исследований Джордж [26] предложил схему, согласно которой в процессе катализа образуются два промежуточных соединения:
Пероксидаза 4-Н202 С динстше 1 + А 12- Соединение II—J—AH2— ■»■ Соединение I
Соединение II-г П» -> Пероксидаза-4- АН»
Этот механизм предполагает существование двух одноэлект ■ ройных стадий восстановления, при которых образуются свободно радикальные промежуточные продукты АН». Обычными химическими методами трудно получить однозначные доказательства существования таких промежуточных продуктов, и это как раз тот случай, когда именно метод ЭПР может дать окончательный ответ на этот вопрос.
Исследование пероксидазных систем, выполненное Ямадзаки, Пьеттом и Мэзоном [27, 28], явилось одним из первых успешные систематических исследований ферментативной активности методом ЭПР. Основная цель этой работы заключалась в обнаружении промежуточного продукта АН» и в определении условий, при которых возникает сигнал ЭПР этого свободного радикала. В первых экспериментах авторы использовали метод быстрого замораживания, подвергая смесь реагирующих растворов глубокому замораживанию через определенные промежутки времени после начала реакции. Результаты этих экспериментов были в основном негативными; в то время считали, что это объясняется низкой концентрацией присутствующих в образце свободных радикалов, но на самом деле это, по-видимому, обусловливалось уширением линии поглощения на твердых образцах в результате диполь — дипольного взаимодействия. В дальнейшем исследования проводили зь уже при комнатной температуре, и именно в этих исследованиях впервые были продемонстрированы широкие возможности методов непрерывного и остановленного потока для исследования таких ферментных систем. Применив метод непрерывного потоку (разд. 3.4.2), Ямадзаки, Пьетт и Мэзон [27. 28] записали полный спектр ЭПР, наблюдаемый по прошествии различных промежутков времени после момента смешивания исходных реагентов. Некоторые спектры, полученные таким способом, приведены на фиг. 86 (концентрация фермента l0~8—10~7 71/, ‘^концентрация субстрата 2-Ю-2—5-Ю-3 М, что давало равновесную концентрацию свободных радикалов около 10 ~6 М). Одно из преимуществ этих исследований состояло в том, что изучаемый фермент был доступен в довольно больших количествах, вполне достаточных для проведения опытов.
А и Б — реакция окисления гидрохинона. В отсутствие фермента (А) сигнала нет, в присутствии фермента (Б) появляется хорошо разрешенная сверхтонкая структура из пяти линий, обусловленная радикалами бензосемихинона. В — реакция окисления аскорбиновой кислоты. В этом случае свободные радикалы дают спектр
С дублетной сверхтонкой структурой.
В экспериментах использовались самые различные субстраты; на фиг. 86 представлены результаты, полученные для гидрохинона и перекиси водорода [А и Б) и для аскорбиновой кислоты и перекиси водорода (В). Можно видеть, что в обоих случаях заметный свободнорадикальный сигнал появляется лишь в том случае, когда в пробу добавляется пероксидаза; этот сигнал очень интенсивен и обнаруживает сверхтонкую структуру,^которую легко идентифицировать. Так, состоящих^ из пяти линий спектр, приведенный на фиг. 861 Б, легко идентифицировать как спектр свободного радикала бензосемихинона (см. разд. 1.5; фиг. 13), а спектр из двух сверхтонких линий на фиг. 86, В —Каквспектр, который должен давать радикал аскорбиновой кислоты; при тех значениях рБ которые использовались в эксперименте, оба радикала находились в анионной форме.
Таким образом, эти исследования методом непрерыгного потока убедительно показали, что катализируемая пероксидазой реакция действительно сопровождается образованием промежуточных сво — боднорадикальных продуктов. В дальнейшем были проведены систематические исследования. кинетики пероксидазной реакции, для чего изменялась продолжительность временного интервала между начальным моментом смешивания растворов и измерением ЭПР поглощения в резонаторе. Таким способом удалось показать, что равновесная концентрация свободных радикалов пропорциональна Вкорню квадратному из общей концентрации фермента. Это подтверждало механизм, ранее предложенный Джорджем [26], и в особенности то, что ни соединение I, ни соединение О не восстанавливаются самими свободнорадикальными промежуточными продуктами, а исчезновение свободных радикалов происходит в результате процессов дисмутации или димеризации. Позднее Пьетт и сотр. [29], изучив реакцию окисления хлорпромазина в системе пероксидаза — водород — перекись водорода с помощью оптической и ЭПР-спектроскопии (методом непрерывного потока), получили прямые доказательства того, что свободные радикалы исчезают в результате дисмутации. При рН 4,8 образующийся в процессе реакции свободный радикал хлорпромазина обладает высокой стабильностью и может накапливаться в значительных количествах. Если затем повысить значение рН, то эти радикалы исчезают под влиянием дисмутации, причем константу скорости этой реакции можно измерить. Больше того,.’.этот метод позволил осуществить кинетические исследования реакции
АН» Соединение II————————- А Пероксидаза,
Которая протекает при низких значениях рН, когда дисмутации радикалов не происходит. Кинетика этой реакции для двух различных концентраций пероксидазы представлена на фиг. 87,которая слуяшт превосходной иллюстрацией того, ^и? аким образом кинетику таких ферментативных реакций можно разделить на две отдельные стадии и затем провести количественное исследование каждой из них.
Помимо кинетических измерений на свободных радикалах, возникающих в процессе пероксидазных реакций, были проведены также кинетические измерения ЭПР-иоглощения, обусловленного
Время, с
Фиг. 87. Кинетика окисления хлорпромазина в присутствии пероксида-
Зы [29].
I— концентрация перокеидазы 4-10-s М, II— 3,2-10—7 М. Обе кривые получены для одних и тех же концентраций хлорпромазина и перекиси водорода при рН 4,8. Можно видеть, что повышение концентрации перокеидазы приводит к значительному уменьшению времени релаксации.
Атомами железа в различных пероксидазах. Эти результаты суммированы в конце разд. 6.6.5 после обсуждения сигналов ЭПР, которые дает геминовое железо.
Описанные в этой главе исследования находятся еще на самой начальной, предварительной стадии, и о многих возможностях использования в биологии таких методов, как ДЭЯР и спин — метка, мы еще, конечно, …
В разд. 7.1 уже упоминалось о том, что метод спин-меток был специально разработан для исследований биологических молекул. Этим он отличается от всех других методов ЭПР-спектроскопии, которые были разработаны ранее и …
Вопрос о том, каким образом принцгп и. технику метода ДЭЯР,’, описанные в разд. 3.8 и. 3.9, можно приложить к исследованию биохимических систем, лучше всего, по-видимому, рассмотреть на примере экспериментов с …
Нормальное функционирование человеческого организма невозможно без витаминов и макроэлементов, в частности, существование человека невозможно без железа.
Самая основная задача металла – это участие в транспортировке кислорода по кровеносным сосудам к органам и тканям, а также образование окислительно – восстановительных реакций, обеспечивающих обменные процессы.
Если у человека нет серьезных заболеваний и каких-то патологических изменений, ему достаточно включать в свой ежедневный рацион продукты с высоким содержанием железа.
Биологические функции железа
Без этого металла не было бы жизни на планете, он регулирует процессы кровеобразования и является составной частью гемоглобина, поэтому его функции неоценимы. акроэлемент выполняет в организме ряд функций:
- Оно включено в гемоглобин. Это специальный белок, прикрепленный на эритроцитах, отвечающий за поставку необходимого количества кислорода к мозгу и остальным органам и тканям в организме.
- Металл участвует в процессах переноса отработанного углекислого газа, способствуя его выведению из тела.
- Железо необходимо для полноценного роста в период развития в детском возрасте;
- Включается во множество ферментных реакций, регулирующие обменные процессы, отвечает за функционирование пищеварительной системы и органов кроветворения.
- В нервной системе макроэлемент помогает проводить импульсы по аксонам и дендритам, тем самым регулируя ее работу.
- Поддерживает иммунитет в тонусе, участвуя в процессе образования лейкоцитов – главных борцов с вирусами и бактериями.
Общее содержание металла в теле составляет лишь шестую тысячную от всей массы, примерно в теле человека присутствует около 3- 5 грамм необходимого макроэлемента. Больше половины поступающего с едой железа используется на образование гемоглобина, примерно 15 % запасается в мышечной системе и органах кроветворения.
Во время вынашивания ребенка, часть металла идет на образование у малыша системы головного мозга.
Большая роль железа отводится на его помощь в образовании красных эритроцитов и белых лейкоцитов – кровяных телец. Первые отвечают за транспортировку кислорода и углекислого газа, а вторые – за функционирование иммунной системы.
Кроме того, металл включен в состав пероксидазы и каталазы, специфических ферментов, отвечающих за окислительные процессы в клетках. Поэтому без железа не может нормально функционировать щитовидная железа и нервная система.
Металл являются составляющей частью многих белков, при этом он может быть в гемовой и негемовой форме. Гемовая часть макроэлемента практически полностью включается в молекулу гемоглобина, а остальная часть работает в дыхательной цепочке митохондрий в клетках. В настоящее время известны две разновидности железа, отличающихся по валентности.
В еде в качестве макроэлемента железо представлено в трехвалентном состоянии. Поступая в организм, оно преобразуется в двухвалентное, чтобы лучше усваиваться.
Металл участвует в процессах выведения токсических веществ из организма, а также повышает регенеративные функции, укрепляет ногти и волосы, препятствует образованию угревой сыпи. Однако следует учитывать, что железо может усваиваться по-разному.
В мясных продуктах макроэлемент называется «органическим» и усваивается лучше, чем из растений. Однако регулярно употребляя овощи и зелень с высокими концентрациями металла, можно в короткие сроки ликвидировать железодефицитное состояние.
Взаимосвязь макроэлементов в человеческом организме
Металл проникает в кишечник вместе с употребляемой едой. В желудке съеденная пища смешивается с желудочным соком, в это время макроэлемент ионизируется из трехвалентного в двухвалентное.
Всасывание макроэлемента начинается в двенадцатиперстной кишке и верхнем отделе тонкого кишечника. Железо, находящееся в растительных источниках, усваивается организмом тяжело, поэтому ему необходимо преобразование. Для этого синергистом металлу выступает витамин C. Для хорошего усваивания макроэлемента полезно сочетать его с витаминами группы B, пепсинами и медью.
При неограниченном поступлении в организм кальция и фосфатных соединений, и танинов, которых много в чае, кофейных напитках и так далее, усвоение железа ухудшается.
При высоких концентрациях витамина группы E и Цинка, металл практически полностью выводится из кишечника, не преобразовавшись в другую валентность. Кальций помогает усваиваться железу, однако в больших концентрациях тормозит его преобразование.
Суточная потребность в железе
Мужчинам необходимо употреблять ежедневно около 10-12 мг макроэлемента, при этом у женщин концентрация железа должна быть в два раза выше, то есть не менее 20 миллиграмм. Это зависит от того, что каждый месяц во время менструального цикла вместе с кровью из организма уходит в сутки до 40 миллиграмм.
При разнообразных диетах максимальной рекомендованной установленной нормой поступления в кровь металла является 45 мг.
Всего в теле человека сосредоточено около 3-5 граммов металла, в органах кроветворения при этом должен быть запас металла еще в виде 2-3 грамм. Однако учеными доказано, что в настоящее время практически у всех людей отсутствуют запасы железа в организме, что при неправильном питании может приводить к анемии.
Гемовое железо в крови включено в состав эритроцитов, поэтому его запасание зависит от веса, роста и комплекции. Негемовый макроэлемент содержится в ферритине и гемосидерине, и его концентрация варьирует от потери крови, во время беременности или при гемохроматозе.
Таким образом, суточная концентрация железа в организме человека должна рассчитываться по определенным параметрам:
- вес;
- возраст;
- общее состояние здоровья.
Для детей в первый год жизни необходимо, чтобы с молоком и прикормом поступало 4 мг, к концу первого года в организм малыша должно ежедневно поступать 15 мг металла.
В среднем до подросткового возраста суточная потребность в железе должна составлять около 10-13 мг.
В 15-17 лет девочкам необходимо 20 мг в сутки, а мальчикам – 15 мг.
Для взрослого населения концентрация железа в крови сильно отличается от пола^
- Мужчинам достаточно 10 миллиграмм ежедневно,
- женщинам из-за ежемесячной потери крови рекомендовано употреблять в пищу 20-30 мг в сутки.
В период ожидания ребенка и во время кормления грудью, потребность в железе повышается более чем в 2 раза.
Симптомы нехватки металла в организме
По мнению специалистов, больше трети населения земного шара страдает от дефицита железа – анемии.
Считается, что нехватка этого элемента является самой распространенной среди других элементов и витаминов.
Основными причинами, по которым в организм не поступает в достаточном количестве железо, являются:
- несбалансированное питание, а также разнообразные диеты;
- большая кровопотеря во время операций, при травмах и внутренних кровотечениях;
- низкая двигательная активность в результате болезни;
- беременность, когда большая часть металла уходит в организм плода;
- нарушения всасываемости в кишечнике.
Первичные симптомы железодефицита – постоянная усталость, головокружения, снижение иммунитета и быстрая утомляемость.
По внешним признакам также можно определить нехватку макроэлемента в организме:
- В первую очередь, бледнеют кожные покровы, и сушится слизистая рта.
- Во-вторых, появляются глубокие ранки в уголках губ и на коже пяток.
- Третьим признаком дефицита металла считается выпадение волос, ломкость ногтей и шелушение верхнего слоя эпидермиса.
Лекарственные препараты
Для восполнения в короткие сроки недостатка макроэлемента в крови, врачи рекомендуют лекарственные препараты со сбалансированным содержанием железа и других витаминов и микроэлементов.
Такие ситуации могут возникнуть в период вынашивания плода, при кормлении грудью, при большой потере крови или после операций.
При этом данные лекарства запрещается запивать чаем и кофе, так как содержащиеся в них танины блокируют всасывание железа в кровь. Идеальные напитки, которые улучшают процессы всасывания металла – простая вода и осветленный яблочный сок.
В настоящее время существует большое разнообразие лекарственных форм, борющихся с железодефицитной анемией:
- Венофер – применяется в тех ситуациях, когда железо плохо усваивается кишечником.
- Гемостимулин – представлен в виде серых таблеток, основным веществом в которых является железо закисное и сухая пищевая кровь. Данный препарат стимулирует процессы кровеобразования.
- Гемофер – в виде капель, его назначают детям в возрасте от 6 лет;
- Железа глюконат – обычно назначают в периоды быстрого роста детей, а также при беременности и лактации;
- Сорбифер в таблетках – также назначается при лечении и профилактике железодефицитной анемии в короткий промежуток времени.
Переизбыток в крови
При повышенных концентрациях в крови макроэлемент может нанести непоправимый вред здоровью человека. В этом случае железо копится в органах кроветворения – печени, селезенке, в сердце, что приводит к их поражению и атрофии тканей.
Переизбыток металла в крови может быть вызван рядом причин:
- Во-первых, высокая всасываемость макроэлемента в верхних отделах тонкого кишечника.
- Во-вторых, причиной избытка железа в крови является неконтролируемый прием большого количества железосодержащих лекарственных препаратов, резко повышающих концентрацию его в крови.
Основными признаками переизбытка железа в организме являются:
- мигрень и головокружение, общая слабость в теле;
- снижение иммунитета;
- меняется оттенок кожи, наличие пигментации на кожном покрове;
- снижается вес из-за потери аппетита;
- нарушения в работе пищеварительного тракта – запоры или диарея, изжога и рвота, постоянная боль в эпигастральной области;
- фиброз тканей и предрасположенность к печеночной недостаточности.
При постоянном избытке металла в организме, назначают комплексную терапию, включающую в себя обязательный прием цинкосодержащих препаратов, а также гепатопротекторов.
При единовременном отравлении металлом, необходимо промыть кишечник полиэтиленгликолем в течение нескольких часов.
Продукты с высоким содержанием железа
Выбирая продукты питания, содержащие большое количество металла в составе, следует обращать внимание на его формы валентности, ведь от этого будет зависеть его усваиваемость кишечником.
Например, в говядине содержится в 5 раз меньше макроэлемента, чем в сухофруктах, но он практически полностью всасывается в организме.
По научным данным, из животных источников железо способно усваиваться на 30%, а из растительных продуктов – всего лишь на 5%.
Основными предпочтительными продуктами для увеличения металла в крови, являются:
- мясо, в особенности молодая телятина;
- мясные субпродукты;
- рыба и морепродукты;
- яйца перепелок и яичный желток.
Из растительных источников железо усваивается гораздо хуже, однако оно находится в их составе в большом количестве, поэтому также поможет восполнить недостаток металла в организме.
Среди растительных продуктов, железа содержится больше всего:
- картофель, свекла;
- морская капуста;
- бобовые;
- сухофрукты и засушенные белые грибы;
- орехи и крупы;
- зелень.
В молочных продуктах практически не содержится железо, при этом кальций блокирует поступление металла в организм. Поэтому врачи рекомендуют разделять приемы пищи молочных продуктов и продуктов с высоким содержанием макроэлемента на 2,5-3 часа.
Таблица – список продуктов с высоким содержанием железа
| № | Наименование продукта | Железо, мг/100гр | % от суточной нормы на 100гр. |
| 1 | Тыквенное масло | 13,0-15,0 | 93,3 |
| 2 | Соя | 9,7-15,7 | 84,7 |
| 3 | Укроп | 1,7-22,8 | 81,7 |
| 4 | Семена тыквы | 8,82-15,0 | 79,4 |
| 5 | Гречка | 8,3 | 55,3 |
| 6 | Петрушка (зелень) | 1,50-12,8 | 47,7 |
| 7 | Чечевица | 3,80-7,94 | 39,1 |
| 8 | Горох | 4,6-6,8 | 38 |
| 9 | Фасоль | 5,47-5,90 | 37,9 |
| 10 | Пшеница мягкая | 5,4 | 36 |
| 11 | Бобы | 3,8-6,8 | 35,3 |
| 12 | Овес | 4,72-5,50 | 34,1 |
| 13 | Шпинат | 3,7-6 | 32,3 |
| 14 | Курага | 2,66-6,0 | 28,9 |
| 15 | Пшеница твердая | 3,19-5,30 | 28,3 |
| 16 | Пшено | 3,5-4,9 | 28 |
| 17 | Рожь | 2,6-5,4 | 26,7 |
| 18 | Фисташки | 3,92 | 26,1 |
| 19 | Сельдерей (зелень) | 1,3-6,3 | 25,3 |
| 20 | Кукуруза | 3,7 | 24,7 |
| 21 | Кориандр (кинза) | 1,50-5,20 | 22,3 |
| 22 | Изюм | 1,20-5,20 | 21,3 |
| 23 | Базилик | 3,17 | 21,1 |
| 24 | Фундук | 3,0-3,3 | 21 |
| 25 | Ламинария | 2,85-3,30 | 20,5 |
| 26 | Ячмень | 2,5-3,6 | 20,3 |
| 27 | Щавель | 2,4 | 16 |
| 28 | Чеснок зелень | 2,3 | 15,3 |
| 29 | Инжир сушеный | 1,50 – 3,00 | 15 |
| 30 | Рис дикий | 1,96 | 13,1 |
| 31 | Лук-порей | 0,39-2,70 | 10,3 |
| 32 | Финики | 0,80-2,30 | 10,3 |
| 33 | Лук шнитт | 1,0-2,0 | 10 |
| 34 | Рис бурый шлифованный | 0,99-2,00 | 10 |
| 35 | Руккола | 1,46 | 9,7 |
| 36 | Чернослив | 0,36-2,10 | 8,2 |
| 37 | Лук зеленый | 0,51-1,90 | 8 |
| 38 | Рис белый круглозерный (клейкий) | 0,14-0,80 | 5,3 |
| 39 | Рис белый длиннозерный | 0,8 | 5,3 |
| 40 | Салат | 0,60-0,86 | 4,9 |
| 41 | Оливковое масло | 0,440-0,790 | 4,1 |
| 42 | Эстрагон | 0,5 | 3,3 |
Организм человека не способен нормально функционировать без достаточного поступления извне макроэлемента – железа, так как оно участвует практически во всех жизненно важных процессах роста и развития.
Поэтому, употребляя каждый день продукты с большим содержанием железа, можно поддерживать свое тело в тонусе и защититься от ряда серьезных заболеваний.
В рацион каждого человека на планете ежедневно должны быть включены продукты с высоким содержанием железа. При этом следует помнить, что металл из разных источников питания усваивается по-разному.