5 курс / Пульмонология и фтизиатрия / Бронхиальная_астма_и_хроническая_обструктивная

вторичных радикалов приводит к развитию патологических процессов и лежит в основе канцерогенеза, атеросклероза, хронических воспалительных процессов и нервных дегенеративных болезней.

Так, гидроксил-радикал действуя на SH-группы, гистидиновые и другие аминокислотные остатки белков, вызывает денатурацию последних и инактивирует ферменты. В нуклеиновых кислотах ОН• разрушает углеводные мостики между нуклеотидами и, таким образом, разрывает цепи ДНК и РНК (рибонуклеиновая кислота), в результате чего происходят мутации и гибель клеток. Внедряясь в липидный слой клеточных мембран, гидроксильный радикал запускает (инициирует) реакции цепного окисления липидов, что приводит к повреждению мембран, нарушению их функций и гибели клеток.

Накопление липидных радикалов (L· – алкилов, LO· – алкоксилов, LOO· – диоксилов) происходит в липидах, в основном в остатках полиненасыщенных жирных кислот, в результате цепных реакций. Далее образуются ДК, а затем минорные метаболиты: МДА, этан, пентан и др. [8, 29].

Образующиеся в клетке радикалы могут инициировать вторичные свободнорадикальные реакции (СРР), вступая во взаимодействие с различными клеточными компонентами: белками, нуклеиновыми кислотами и липидами (рис. 5) [29].

АКТИВНЫЕ ФОРМЫ КИСЛОРОДА, Радикалы-инициаторы

Рис. 5 Взаимодействие радикалов-инициаторов, АФК (О 2 , Н2О2, ОН•) с компонентами клеток: нуклеиновыми кислотами, мембранными фосфолипидами, арахидоновой кислотой, белками

20

В результате СРР происходит деградация молекул-мишеней с образованием более или менее стабильных продуктов реакций, идентификация и определение количества которых может быть параметром или маркѐром, определяющим скорость реакций. Наиболее часто используемым маркѐром инициации СРР является определение продуктов перекисной деградации фосфолипидов клеточных мембран и липопротеидов плазмы крови: коньюгированных диенов и гидроперекисей ненасыщенных жирных кислот, алканов и альдегидов, в частности МДА. Окисление ненасыщенных жирных кислот фосфолипидов называется перекисным, потому что первичным стабильным продуктом этого процесса являются гидроперекиси (ROOH). В результате происходит перекисная деградация молекул фосфолипидов, что влечѐт за собой нарушение структуры клеточных мембран и липопротеидов [29].

Третичные радикалы образуются при нейтрализации вторичных молекулами антиоксидантов, и их роль может быть разнообразной. Под действием ионов металлов переменной валентности, в первую очередь – ионов Fe2+, из этих веществ образуются вторичные СР, такие как радикал гидроксила и радикалы липидов, которые оказывают разрушительное действие на клеточные структуры.

Таким образом, постоянно образующиеся в организме свободные радикалы: О2˙ˉ, NO·, семиубихинон (•НQ), а также вторичные радикалы – ОН• и липидные радикалы являются не только необходимыми участниками многих внутриклеточных метаболических реакций в условиях нормы [8], но и требуют постоянной стабилизации уровня этих высокореактогенных окислителей за счет адекватной активации систем антирадикальной, антиоксидантной защиты организма.

1.3.Антиоксидантная система

Для нейтрализации оксидантов в процессе эволюции была сформирована многофакторная защитная антиоксидантная система (АОС), которая является универсальной для всех живых организмов [104].

Основная ее функция заключается в препятствии избыточного образования свободных радикалов, и, таким образом, в предотвращении развития болезней, вызываемых повреждением свободными радикалами структур клеток организма [10]. Регуляция ее осуществляется по принципу обратной связи относительно интенсивности свободнорадикальных реакций.

Существует систематизация уровней защиты биосистем от повреждающего воздействия свободных радикалов, в том числе АФК [78], состоящая из 5 уровней:

1-й уровень – системная защита клеток за счет значительного снижения напряжения кислорода в тканях по сравнению с атмосферным

21

воздухом; 2-й уровень – четырехэлектронное восстановление основной массы

внутриклеточного кислорода при участии цитохромоксидазы без освобождения свободных радикалов;

3-й уровень – ферментативное удаление супероксидного анионрадикала и перекиси водорода;

4-й уровень – наличие «ловушек» свободных радикалов (антиоксидантов);

5-й уровень – ферментативное восстановление гидроперекисей полиненасыщенных жирных кислот [26].

Внастоящее время представлена и несколько иная систематизация уровней защиты биосистем от повреждающего воздействия свободных радикалов [78].

Первая линия защиты – ферменты антиоксидантной системы, ингибирующие инициацию перекисного окисления липидов и предотвращающие окислительную деструкцию нелипидных компонентов.

Вторая линия защиты представлена низкомолекулярными антиоксидантами (АО).

Третья линия защиты – ферменты, метаболизирующие конечные продукты перекисного окисления липидов (альдегидов, эпоксидов, алкенов, алкоголя). К этим ферментам защиты могут быть отнесены эпоксидгидролазы, альдегидредуктазы, цитохром Р-450 [2].

Авторы данной систематизации полагают, что можно выделить и четвертую линию защиты, обеспечивающую репаративную регенерацию поврежденных молекул, в частности восстановление дисульфидных связей белков, регенерацию антиоксидантов.

К пятой линии защиты относят систему ингибирования перекисных

исвободнорадикальных процессов, включающую циклические нуклеотиды, простагландины, лейкотриены.

Вкачестве линии антиоксидантной защиты рекомендуют выделить и пространственный фактор, определяющий пространственную координацию внутриклеточных кислород–транспортных процессов и метаболизм активированных форм кислорода [79]. При чем антиоксидантный контроль в электрон–транспортных системах обеспечивается за счет плотной и упорядоченной упаковки мембранных структур.

Важную защитную роль среди всех линий защиты занимают антиоксиданты.

Антиоксиданты – биологически активные соединения, способные уменьшать интенсивность свободнорадикального окисления, нейтрализовать свободные радикалы за счет обмена своего атома водорода на кислород свободных радикалов. Антиоксиданты имеют подвижный атом водорода в связи с наличием в молекуле нестойкой связи

22

с углеродом (С – Н) или серой (S – Н). В результате взаимодействия со свободными радикалами возникают малоактивные радикалы самого антиоксиданта, неспособные к продолжению цепи [40].

Антиоксидантная система включает:

1.Энзиматические перехватчики, такие как супероксиддисмутаза, дисмутирующая О2˙ˉ до Н2О2, каталаза и глутатионпероксидаза, которые конвертируют Н2О2 до воды. Глутатионпероксидаза и глутатион-S- трансфераза участвуют в детоксикации гидропероксидов жирных кислот.

2.Гидрофильные скэвенджеры радикалов – восстановленный глутатион, аскорбат, урат, тиолы (цистеин, эрготионеин).

3.Липофильные перехватчики радикалов – токоферолы, флавоноиды, каротиноиды, убихиноны, билирубин.

4.Ферменты, осуществляющие восстановление окисленных низкомолекулярных биоантиоксидантов (глутатионредуктаза) или участвующие в поддержании функционально активного состояния белковых тиолов (тиоредоксинредуктаза).

5.Ферменты, участвующие в поддержании внутриклеточного стационарного уровня восстановительных эквивалентов (глюкозо-6- фосфатдегидрогеназа, катализирующая образование NADPH в пентозофосфатном пути окисления глюкозы).

6.Антиоксидантные белки (церулоплазмин, альбумин, ферритин, трансферрин, лактоферрин и др.), участвующие в хранении, транспорте или обезвреживании ионов металлов переменной валентности.

Вопрос о единых принципах классификации АОС еще не решен и требует всестороннего исследования. Поэтому на сегодняшний день нет универсальной классификации этой системы, а имеется множество представлений о систематизации ее компонентов по различным признакам: молекулярной массе; механизму действия, в том числе каталитической активности; гидрофобности и гидрофильности. Ниже представлены классификации антиоксидантной системы и принципы, по которым они формировались. Все перечисленные классификации имеют как преимущества, так и недостатки. Преимущества некоторых из них заключаются в несложной и удобной структуре, а недостатки – в неполном охвате всех функциональных особенностей антиоксидантов.

Классификация по механизмам действия антиоксидантов

В основе разделения антиоксидантной системы по уровням защиты лежат механизмы действия АО или их специализация, обусловленная мишенями действия: АФК (О2˙ˉ, H2O2, ОН•, 1О2 и др.); нерадикальные инициаторы СРО; радикалы – промежуточные продукты СРО и т.д.

Поэтому классификации по уровням и механизмам защиты зачастую совпадают. Так, по механизму действия антиоксиданты могут делить на:

(1) ферментативные и неферментативные;

23

(2)хелаторы и окислители ионов Fe2+;

(3)вещества, оказывающие мембранотропное действие, так называемые структурные антиоксиданты [30].

Прямое назначение АО в клетках всех организмов, не только направлено на элиминирование АФК, но и удаление токсичных продуктов, образующихся при взаимодействии с ними. Антиоксиданты, в зависимости от специализации, выполняют свои функции различными способами, поэтому по механизму действия их делят на:

1."Мусорщики" (scavenger of free radicals), которые очищают организм от всех СР, чаще всего восстанавливая их до стабильных неактивных продуктов.

2."Ловушки" (trap of free radicals) – антиоксиданты, которые имеют сродство к какому-то определенному свободнорадикальному продукту (ловушки синглетного кислорода, гидроксил-радикала и т.д.) и часто использующиеся для уточнения механизма свободнорадикальной реакции.

3.Антиоксиданты, обрывающие цепи (chain breaking antioxidants)

–вещества, молекулы которых более реакционноспособны, чем их радикалы. Чаще всего это фенолы, которые легко отдают свои электроны, превращая радикал, с которым они прореагировали, в молекулярный продукт, а сами при этом превращаются в слабый феноксил-радикал, который уже не способен участвовать в продолжении цепной реакции.

Классификация на основе стратегий борьбы с токсическим действием кислорода

Живые организмы имеют два основных способа борьбы с токсическим действием кислорода:

–снижение уровня O2 и остановка его конверсии в АФК (альтернативная оксидаза, трансферрин, ферритин, металлотионеины и т.п.),

–"уборка" появившихся АФК (супероксиддисмутаза, глутатион- и аскорбатпероксидазы, пероксиредоксины, тиоредоксины, аскорбиновая кислота, токоферол и т.п.) [63, 153].

Другое разделение всех систем защиты от АФК предусматривает три основные группы.

1 группа – предупреждение образования АФК. Повреждения, инициированные АФК, преимущественно локализуются в местах нахождения ионов металлов с переходной валентностью, в первую очередь, железа и меди. Поэтому важным компонентом защиты от действия АФК, предупреждающим свободнорадикальные процессы, является хелатирование ионов металлов с переходной валентностью, специализированными и неспециализированными белками, например, ферритином, трансферрином, альбуминами и др.

24

2группа – обрыв свободнорадикальной цепи и обезвреживание радикалов антиоксидантными ферментами и тушителями. К антиоксидантным ферментам были отнесены супероксиддисмутаза, которая катаболизирует супероксид-анион, каталаза и глутатионпероксидаза, которые деградируют перекись водорода и гидроперекиси, соответственно. На стадии разрыва свободнорадикальной цепи, останавливая ее распространение, действуют низкомолекулярные антиоксиданты – глутатион восстановленный (GSH), α-токоферол, аскорбиновая кислота, мочевая кислота, и т.д. К тушителям отнесен GSH, который нейтрализует гидроксил-радикал и синглетный кислород. Однако он является субстратом для некоторых ферментов, элементом для регенерации витаминов Е и С.

3группа – исправление повреждений, репарация. К ней были отнесены вторичные ферменты АО защиты, которые включают группу, функционально связанную с глутатионом. Глутатион-S-трансферазы катализируют конъюгацию GSH с нуклеофильными ксенобиотиками или клеточными компонентами, поврежденными АФК. В результате последние теряют токсические свойства. Зависимая от NADPH глутатионредуктаза восстанавливает окисленный глутатион, за счет окисления NADPH. Последний, в свою очередь, восстанавливается глюкозо-6- фосфатдегидрогеназой [44].

Обращает на себя внимание разное представление авторов о компонентах вторичной системы антиоксидантной защиты. В одном случае – это ферменты репарации ДНК и утилизации поврежденных молекул гидролитическими ферментами различной специализации. В другом случае вторичная система включает ферменты, обезвреживающие ксенобиотики и метаболические яды, а также ферменты, синтезирующие и репарирующие компоненты АОС и их субстраты [114].

Часто встречается классификация, в основе которой лежат особенности химической структуры АО, а распределение осуществляется с учетом их липофильности [21].

По отношению к действию водной или липидной фаз антиоксиданты разделяют на водорастворимые и жирорастворимые.

Группа водорастворимых (гидрофильных) АО включает высокомолекулярные (супероксиддисмутаза, каталаза, глутатионпероксидаза, альбумины) и низкомолекулярные (аскорбиновая, лимонная, никотиновая кислоты, серосодержащие соединения – цистеин, гомоцистеин, липоевая и бензойная кислоты, церулоплазмин; фенольные соединения – полифены, флавоноиды, трансферрин, лактоферрин, альбумин, мочевина и мочевая кислота) соединения;

К жирорастворимым (гидрофобным) АО относятся фосфолипиды, токоферолы, витамин А, витамины группы К, убихинон, стероидные

25

гормоны, каротиноиды и т.д. [21].

Водорастворимые АО локализованы и эффективно функционируют в цитозоле клетки и водных фазах клеточных структур, а также в межклеточных жидкостях, плазме, крови и лимфе, тогда как жирорастворимые АО находятся в биологических мембранах и защищают их от спонтанного свободнорадикального окисления [2, 46, 56]. Эта классификация позволяет оценить, в каких (липидных или водных) компартментах организма будут располагаться и эффективно функционировать те или иные АО [21]. Есть мнение, что гидрофобность и гидрофильность определяют не столько структурные особенности АО, сколько место локализации. Полагают, что на жирорастворимые и водорастворимые АО подразделяются в зависимости от места их нахождения [30].

Гидрофильные антиоксиданты

Глутатион – тиол небелковой природы, встречающийся во всех животных и растительных тканях, а также у ряда микроорганизмов [28, 38]. Глутатион существует в двух формах: восстановленный (GSH) и окисленный (GSSG).

Функции глутатиона многообразны: восстановление и изомеризация дисульфидных связей; влияние на активность ферментов и других белков, поддержание барьерных функций мембран, коферментные функции, резервирование цистеина, влияние на биосинтез нуклеиновых кислот и белка, пролиферацию и др. [39, 191].

Аскорбат. Наиболее активным водорастворимым антиоксидантом является аскорбиновая кислота (витамин С), способная формировать окислительно-восстановительную систему вместе с дегидроаскорбиновой кислотой. Аскорбиновая кислота по химическому строению является лактоном гулоновой кислоты со структурой, близкой к глюкозе. Благодаря наличию двух асимметричных атомов углерода, аскорбиновая кислота образует четыре стереоизомера, биологической активностью обладает только L-аскорбат.

Присутствие в аскорбате двух двойных связей обуславливает ее способность к обратимому окислению, продуктом которого является дегидроаскорбиновая кислота, которая является устойчивым соединением. В ходе необратимого разрыва лактоновой связи дегидроаскорбиновая кислота превращается в 2,3-декетогулоновую кислоту (ДКГК). При окислении ДКГК расщепляется на щавелевую и трионовую кислоты.

Аскорбиновая кислота стимулирует активность системы цитохром, в частности цитохрома Р-450, процессы фагоцитоза, усиливает антиоксидантные свойства b-каротина и токоферола, активирует пролиферативную активность лимфоидной ткани и стимулирует иммунные реакции [26].

26

Гидрофобные (жирорастворимые) антиоксиданты

Классификация гидрофобных антиоксидантов представлена на рис.6. К гидрофобным АО фенольного типа относятся три группы веществ: токоферолы, убихиноны и витамины группы К.

Каждое из этих веществ образует группу структурно-родственных соединений, включающую хиноны, хинолы, хроманолы и хроменолы [65]. В липидном бислое мембран эти формы могут переходить одна в другую. Каждая группа природных АО присутствует в липидах преимущественно в одной, наиболее стабильной для данных соединений форме: витамины группы К находятся в виде хинонов, токоферолы находятся в липидах, в основном, в циклической форме 6-оксихроманов как в виде свободного токоферола, так и в виде его эфиров, для убихинонов наиболее устойчивой является хинонная форма.

ГИДРОФОБНЫЕ (ЖИРОРАСТВОРИМЫЕ) АНТИОКСИДАНТЫ

Рис.6. Классификация гидрофобных антиоксидантов

Хиноны легко реагируют с алкильными радикалами липидов (R), доля которых в общем количестве свободных радикалов при ПОЛ велика, и могут эффективно тормозить окисление.

Хиноны и их производные способны реагировать с АФК. В частности, хиноны способны связывать радикалы супероксид-аниона, участвующие в инициировании цепей свободнорадикального окисления липидов, с образованием семихинонов. Вместе с тем предполагают, что убисемихиноны и убихиноны могут, подобно менасемихинону и менадиолу, реагировать с молекулярным кислородом с образованием супероксидных анион-радикалов.

Один и тот же АО в зависимости от концентрации может тормозить

27

или ускорять окисление. Такие двойственные свойства по отношению к окислению липидов были установлены для токоферолов различного строения, витамина А и каротиноидов, соединений группы убихинона, ионов железа и аскорбиновой кислоты [6, 27].

В липидах биомембран всегда присутствуют несколько АО, изменяющих скорость окисления липидов. Между АО может наблюдаться эффект синергизма. Аскорбиновая кислота является синергистом по отношению к токоферолам. Восстанавливая радикалы токоферола до активной фенольной формы, аскорбиновая кислота увеличивает эффективность действия токоферола. Аналогичной способностью регенерировать токофероксильные радикалы обладают и убихинолы. Отдельные компоненты неферментативной АОС могут дополнять или подменять друг друга, осуществляя ингибирование на разной глубине окисления липидов [6].

Среди липидных мембранных АО фенольного типа ведущая роль принадлежит токоферолам, поскольку именно они находятся в липидах в устойчивой фенольной форме [6].

Реакция с пероксирадикалами липидов на стадии обрыва цепи не является единственно возможным путем воздействия токоферола на скорость ПОЛ. Токоферолы эффективно взаимодействуют с другими АФК (О2, НО, НО2,ROО), выполняющими роль инициаторов окисления. Выводя из сферы реакции АФК, токоферолы тем самым снижают общую скорость окисления за счет уменьшения суммарной скорости инициирования. Токоферолы являются тушителями синглетного кислорода.

Витамин Е поддерживает целостность митохондриальных, лизосомальных, цитоплазматических мембран, предохраняет их от раздражающего действия процессов липопероксидации.

Витамин Е представлен несколькими гомологами из которых наибольшей антиоксидантной активностью обладает α-токоферол [1]. Эффективность действия α-токоферола, как природного антиоксиданта, обусловлена его исключительно высокой антирадикальной активностью, которая на 1–2 порядка выше соответствующих констант скоростей для многих известных синтетических и биоантиоксидантов и стабилизацией липидного бислоя мембран путем образования прочных комплексов с полиеновыми жирными ацилами липидов [6]. α-токоферол взаимодействует с перекисными радикалами в качестве донора водорода: ROO + α-Т-ОН ROOH + α-Т-О. Радикал токоферола регенерируется аскорбатом.

К гидрофобным антиоксидантам также относятся витамины группы А: А1 (ретинол), А2 (дегидроретинол) и цис-форма витамина А1, отличающиеся дополнительными двойными связями в кольце-ионона. Всасывание этих соединений происходит в кишечнике в присутствие

28

липидов. В организме легко окисляются с образованием цис-альдегидов (сетчатка глаза) и транс-альдегидов (остальные ткани); откладываются про запас в печени в форме более устойчивых сложных эфиров: ретинилпальмитат, ретинилацетат и ретинилфосфат. Известны также предшественники (провитамины) витамина А – каротины.

Витамин А участвует в окислительно-восстановительных реакциях благодаря наличию двойных связей в молекуле, тормозит превращение сульфгидрильных групп в дисульфиды, влияет на репродуктивные процессы [26].

Также предполагается участие витамина А в делении и дифференцировке клеток, обусловленного его действием на инициацию репликации; на рост костной ткани – участие в синтезе хондроитинсульфата [46]. Неотъемлемым является участие витамина А в фотохимическом акте зрения.

Убихиноны – это жирорастворимые коферменты, представленные преимущественно в митохондриях эукариотических клеток.

Убихинон (коэнзим Q10) – витаминоподобное вещество, которое является компонентом цепи переноса электронов и принимает участие в окислительном фосфорилировании. В 60–х годах была показана роль коэнзима Q10 как электронного переносчика в дыхательной цепи митохондрий. Его уникальность состоит в способности регенерировать (воспроизводиться) под действием ферментных систем организма, что отличает коэнзим Q10 от других антиоксидантов, которые, выполняя свою функцию, необратимо окисляются сами, требуя дополнительного введения. Коэнзим Q10 эффективно защищает липиды биологических мембран и липопротеидные частицы крови фосфолипиды («мембранный клей») от разрушительных процессов перекисного окисления, предохраняет ДНК и белки организма от окислительной модификации АФК. С возрастом биосинтез коэнзима Q10 прогрессивно снижается, а его расход возрастает при физических, эмоциональных нагрузках и окислительном стрессе в патогенезе различных сердечно–сосудистых заболеваний.

Существует классификация антиоксидантов, учитывающая их локализацию, относительно мембраны клетки, согласно которой их разделяют на 3 группы (рис.7):

Первая группа – внутриклеточные АО, функционирующие внутри клеток (супероксиддисмутаза, каталаза и пероксидазы и т.д.).

Вторая группа – АО клеточных мембран (α-токоферол, β-каротин, глутатионтрансфераза и т.д.).

Третья группа – внеклеточные АО, находящиеся во внеклеточных жидкостях (трансферрин, лактоферрин, альбумин, внеклеточная супероксиддисмутаза, внеклеточная глутатионпероксидаза, восстановленный глутатион, токоферолы, урат, церулоплазмин) [61].

29