Активные формы кислорода и свободнорадикальные процессы в клетке. Биоантиокислители и антирадикальные защитные системы.

Из курса химии известно, что кислород один из наиболее сильных окислителей. По способности окислять органические молекулы, он сравним с хлором, и уступает только фтору. К счастью для всего живого атомарный кислород на Земле практически не встречается, а в атмосфере присутствует только молекулярный кислород в виде двух алломорфных модификаций диоксиген и озон. Диоксиген или собственно молекулярный кислород является подавляюще преимущественной формой, которую как мы уже убедились, используют в качестве универсального окислителя все аэробные организмы. В отличие от атомарного кислорода, диоксиген в обычных условиях практически инертен по отношению к органическим соединениям и это свойство чрезвычайно важно для живой природы, поскольку позволяет эффективно управлять метаболическими процессами с помощью ферментов, и предотвращать нежелательные спонтанные процессы окисления. Именно по причине своей химической инертности молекулярный кислород не окисляет субстраты ЦТК и промежуточные компоненты электронтранспортной цепи митохондрий, а последовательно принимает электроны на ее конечном участке, восстанавливаясь до воды. Инертность диоксигена обусловлена тем, что его молекула в основном состоянии, т.е. состоянии с минимальной энергией возбуждения, является триплетной. Напротив, большинство органических соединений находится в основном синглетном состоянии. В соответствии с принципом Паули существует спиновое ограничение на протекание реакций триплетного кислорода с синглетным субстратом. т.е. принцип Паули запрещает такие реакции. Это ограничение может быть преодолено путем затрачивания высокой энергии для активации самого кислорода, что имеет место при горении или в процессах микросомального окисления, или активации субстрата окисления, как это происходит в митохондриях. В присутствии некоторых красителей-фотосенсибилизаторов при действии света триплетный кислород может перейти в возбужденное синглетное состояние (синглетный кислород), способный эффективно окислять органические молекулы. С этим процессом, называемым фотодинамический эффект, мы часто встречается в быту. Например фотодинамический эффект обуславливает выцветание органических красок на свету. В последние годы фотодинамический эффект пытаются использовать для фототерапии опухолей. С этой целью созданы противоопухолевые препараты-фотосенсибилизаторы, способные избирательно накапливаться в опухолевой ткани и продуцировать при локальном освещении опухоли синглетный кислород. Вследствие высокой химической активности синглетный кислород оказывает местное цитотоксичное действие, приводящее к деструкции опухоли. Существует еще один путь, позволяющий молекулярному кислороду преодолеть ограничения налагаемые принципом Паули. Это свободнорадикальное окисление. Оказывается, что если кислород взаимодействует с радикалом, т.е. молекулой или молекулярным фрагментом, имеющим неспаренный электрон, то скорость окисления органического субстрата и образование соответствующих пероксидов сравнима со скоростью окисления субстрата атомарным кислородом. В биологических системах свободные радикалы могут возникать под действием внешних факторов, например, ионизирующей радиации и ультрафиолетового излучения или процессе метаболической активации ксенобиотиков. Однако, существует не менее важный для развития болезней (патогенеза) путь образования свободных радикалов. Он обусловлен постоянно существующей возможностью " утечки" электронов с электронтранспортных систем митохондрий и микросом на кислород ведущей к образованию продукта его неполного восстановления - анион радикала кислорода или как его еще называют супероксид иона. Есть данные, что в нормальных физиологических условиях примерно от 1 до 3% поступающего в митохондрии кислорода восстанавливается до супероксид иона. Наиболее вероятно, что утечка электронов происходит на уровне убихинона и цитохромов второго дыхательного комплекса.

Супероксид химически несколько более активен, чем молекулярный кислород и может инактивировать некоторые ферменты, но главная его роль в патологических процессах обусловлена способностью вовлекаться в реакции приводящие к образованию других активных форм кислорода (АФК) и, в первую очередь чрезвычайно активного гидроксильного радикала. В настоящее время известно несколько таких реакций. Одна из них - реакция Фентона. Реакция Фентона включает три элементарных стадии:

1; дисмутация анион-радикала кислорода с образованием пероксида водорода O₂^.- + O₂^.- +2H⁺ → Н₂О₂ + О₂

2; собственно реакция Фентона, т.е. гомолитическое разложение пероксида водорода ионами металлов с переменной валентностью, в первую очередь двухвалентным железом с образованием гидроксильного радикала и гидроксильного аниона

H₂O₂ + Fe²⁺ →.OH + OH^- + Fe³⁺

3; регенерация двухвалентного железа анион-радикалом кислорода

Fe³⁺ + O₂^.- → Fe²⁺ + O₂

Гидроксильный радикал и радикалы, получающиеся в результате метаболизма некоторых ксенобиотиков, например ССl₃O₂.легко отрывают атом водорода практически от любого органического субстрата. Образующийся органический радикал окисляется молекулярным кислородом с образованием сначала перекисного радикала, а затем гидропероксида и нового радикала субстрата и процесс, получивший название цепного свободнорадикального окисления повторяется снова.

RH +.ОН → Н₂О + R.

R.+ O₂ → ROO. (перекисный радикал)

ROO. + RH→ ROOH (гидропероксид) + R.

 

Если радикальной атаке подвергаются ненасыщенные жирные кислоты инициируется перекисное окисление липидов, которое может привести к развитию структурно-функциональных нарушений клеточных мембран. В результате воздействия биорадикалов на ферменты происходит их окислительная модификация и потеря специфической активности. Особенно опасными последствиями для клетки и организма в целом грозит окислительное повреждение нуклеиновых кислот, так как это приводит к потере и изменению генетической информации.

Одним из неблагоприятных последствий перекисного окисления липидов в результате действия радикалов кислорода и последующего разрыва полиеновых кислот, считается образование малонового альдегида.
Малоновый альдегид один из конечных продуктов перекисного окисления липидов, т.е. является продуктом расщепления жирных кислот. В свою очередь, этот альдегид образует шиффовы основания с аминогруппами белков, в результате чего образуются нерастворимые в воде липидбелковые комплексы, которые иногда называют «пигментами старения».

MDA способен реагировать и с ДНК, образуя ДНК-аддукты

 

Чтобы поддерживать оптимальный уровень биорадикалов, предотвратить их образование в опасных для живых систем количествах и свести к минимуму негативные последствия воздействия биорадикалов на клеточные структуры в процессе эволюции у аэробных организмов сформировались специальные механизмы, обеспечивающие эффективную регуляцию свободнорадикальных процессов. Первый уровень антирадикальной защиты ( физиологическая антиокислительная система ) обеспечивает поддержание кислородного снабжения клеток и тканей на оптимальном для протекания биоэнергетических процессов уровне. Бактерии и простейшие имеют специальные сенсоры позволяющие оценивать уровень кислорода в среде и при его повышении перемещаются в область с более низким содержанием кислорода. У всех аэробных организмов ферменты, осуществляющие процессы дыхания имеют очень высокое сродство к кислороду. Например, цитохромоксидаза млекопитающих функционирует при концентрации кислорода менее 1 мм ртутного столба. Эти особенности процессов дыхания митохондрий позволяют поддерживать в организме очень низкую внутриклеточную и внутримитохондриальную концентрацию кислорода в пределах 5-15 мм рт. ст., тогда как парциальное давление кислорода в аорте 80-100 мм рт.ст. Низкое содержание кислорода препятствует утечке электронов на кислород, напротив, повышение внутриклеточной концентрации кислорода, например, при дыхании чистым кислородом, приводит к резкому усилению образования анион-радикала кислорода в дыхательной цепи. Существуют экспериментальные данные, свидетельствующие о существовании во внутренней мембране митохондрий специальных разобщителей, способных выключать механизмы дыхательного контроля и обеспечить экстренный " сброс" кислорода при резком снижении функциональной нагрузки в клетках.

Биохимическая антиокислительная система включает специальные ферменты и низкомолекулярные антиоксиданты. Ключевым компонентом ферментной антиокислительной системы является фермент супероксиддисмутаза (СОД). Супероксиддисмутаза присутствует во всех эукариотических и прокариотических клетках за исключением облигатных (полных) анаэробов и катализирует реакцию дисмутации анион-радикала кислорода. Образующийся в результате этой реакции пероксид водорода разлагают до воды и молекулярного кислорода два других фермента каталаза и глутатионпероксидаза (Se-содержащий фермент). Глутатионпероксидаза находится в цитоплазме (70%) и в митохондриях (30%). Восстановленный глутатион (обычно обозначается GSH) – это серосодержащий трипептид, присутствует во всех клетках животных в довольно больших количествах (напр. в эритроцитах и гепатоцитах в концентрации несколько мМ). Глутатионпероксидаза разлагает перекись водорода (и другие гидроперекиси) в реакции:

 

2GSH + H₂O₂ → GSSG+2H₂O

 

Глутатионредуктаза восстанавливает окисленный глутатион (GSSG). Донором восстановительных эквивалентов в этой реакции является NADPH. Отношение GSH/GSSG является важным фактором восстановительного потенциала клеток, во многом определяющим функционирование многих ферментов и сигнальных систем.

Каталаза является одним из наиболее эффективных биологических катализаторов. Результат работы данного фермента (интенсивное выделение кислорода) можно видеть в случае, когда с целью дезинфекции, порез или другая рана обрабатываются раствором пероксида водорода. К низкомолекулярным антиоксидантам относятся жирорастворимые витамины Е (токоферолы) и А (каротиноиды) и водорастворимые соединения: витамин С (аскорбиновая кислота) и биофлавоноиды (т.н. витамин Р не путать с витамином РР). Витамин Е, благодаря хорошей растворимости в липидном бислое, является эффективным перехватчиком алкилперекисных и алкоксильных радикалов, образующихся в результате перекисного окисления полиненасыщенных жирнокислотных цепей фосфолипидов.

L• + vit E → LH + vit E•
vit E• + L• → LH + vit Е_окисл.

Каротиноиды функционируют в качестве эффективных тушителей синглетного кислорода, образующегося в фотохимических процессах. Витамин С и биофлавоноиды обладают высокой реакционной способностью в отношении анион-радикала кислорода.

Несмотря на насыщенность аэробных клеток антиоксидантами существует опасность, что содержание биорадикалов и пероксидов в отдельных клетках и тканях в силу различных причин может многократно увеличиться и превысить детоксицирующие возможности защитной системы. В этом случае развивается окислительный стресс. Умеренный окислительный стресс может стимулировать пролиферацию клеток или напротив запустить реализацию программы гибели клетки - апоптоз.

Апоптоз (греч. опадание листьев) – особая форма запрограммированной гибели клеток. Ежедневно, примерно около 5% клеток организма подвергаются апоптозу, а их место занимают новые клетки. В процессе апоптоза клетка исчезает бесследно в течение 15-120 минут. Отличается от некроза (некроз это патологический процесс, затрагивающий одновременно большую группу клеток в результате физического или токсического воздействия, например, гипоксии) тем, что клетка не набухает и не разрывается клеточная мембрана. При этом могут поражаться отдельные клетки. Апоптоз - энергозависимый процесс, приводящий к самоубийству ослабленных, ненужных или повреждённых клеток. Размеры клеток обычно уменьшаются и наблюдается распад хроматина на фрагменты, в которых число пар оснований делится на 180-200. При электрофорезе фрагменты дают характерную картину лестницы. Эта картина отличается от таковой при некрозе клеток, где длина фрагментов ДНК варьирует. Фрагментация ДНК в нуклеосомах происходит под действием кальций чувствительной эндонуклеазы. Апоптоз не сопровождается воспалительными реакциями. Индукторы апоптоза – радиация, свободные радикалы, вирусные белки (вызывают, например, вирусный гепатит), глюкокортикоидные гормоны. Важнейшим эндогенным фактором развития апоптоза является повышение внутриклеточного уровня Са²⁺.

⇐ Предыдущая567891011121314Следующая ⇒

Поделиться: