Оглавление
Введение
1. Активированные кислородные метаболиты. Антиоксиданты. Селен как составляющая антиоксидантной системы
1.1 Активированные кислородные метаболиты
1.2 Характеристика основных форм АКМ
1.3 Антиоксиданты и ингибиторы
2. Селен в антиоксидантной системе
Список используемой литературы
Введение
Кислород является самым распространённым химическим элементом биосферы, его соединения в состав всех живых организмов на планете. Наиболее широко представлена восстановленная форма кислорода, или вода (H2O); для высших форм жизни необычайно важен молекулярный кислород (O2), реакция восстановления которого до H2O составляет основу биоэнергетики организма человека и животных [1].
Около 90% потребляемого человеком молекулярного кислорода вовлекается в реакции окислительного фосфорилирования, вместе с тем во всех живых организмах постоянно протекают реакции с образованием активированных кислородных метаболитов (АКМ): O¯2, 1O2, H2O2, HO, OCl¯, RO2 и др. Многие из этих соединений являются радикалами, то есть имеют неспаренный электрон, поэтому часто их называют свободными радикалами. Связанные радикалы, такие как компоненты цепи транспорта электронов в митохондриях, также широко представлены в клетках, однако их локализация в определённых структурах ограничивает "свободное" взаимодействие с другими молекулами [2]. По оценке Гельмута Эстербауэра, человек за 70 лет жизни потребляет 17 000 кг кислорода; за это время в организме нарабатывается 800-1700 кг кислородных радикалов. АКМ, образующиеся в процессе нормальной жизнедеятельности животной клетки, индуцируют в ДНК около 10 000 повреждений за сутки [3]. При этом генерация АКМ, очевидно, есть не эволюционная ошибка (неудача), а, напротив, - характерный физиологический процесс, результат революционного отбора [4].
Образование АКМ, известных как прооксиданты, наблюдается во многих метаболических процессах и является обязательным атрибутом нормальной аэробной жизни. Функционирование и развитие клеток, и организма в целом, в кислородосодержащем окружении не могло бы быть возможным без существования защитных систем, основу которых составляет ферментативные и неферментативные антиоксиданты. Постоянное образование прооксидантов в живых организмах уравновешено их дезактивацией антиоксидантами, поэтому для поддержания гомеостаза необходима непрерывная регенерация антиоксидантной способности. Отсутствие или сбои этой непрерывности сопровождаются накоплением окислительных повреждений и приводят к возникновению окислительного стресса, который является составным элементом целого ряда патологических процессов и заболеваний, таких как воспаление, реперфузионное поражение тканей, бронхолёгочные заболевания, старение, канцерогенез и др. [5] [6].
Важную роль в антиоксидантной системе играет селен. Хотя сам по себе селен и не является "прямым" антиоксидантом, он принимает активнейшее участие в процессе синтеза фермента глутатионпероксидазы - мощнейшего антиоксидантного вещества, предохраняющего клеточные мембраны от разрушительного воздействия свободных радикалов. Без достаточного содержания селена этот важнейший фермент просто не будет образовываться. В качестве антиоксиданта и детоксикатора ядовитых веществ селен защищает организм от сердечных заболеваний, усиливает иммунитет, увеличивает продолжительность жизни. Действуя совместно с другими антиоксидантами - витаминами Е и С, селен помогает улучшить мыслительные способности, снижает депрессию, прогоняет усталость.
Активированные кислородные метаболиты. Антиоксиданты. Селен как составляющая антиоксидантной системы
Активированные кислородные метаболиты
Общие сведения
АКМ - высокореакционные, преимущественно радикальные, кислородные соединения, образующиеся в живых организмах в результате неполного восстановления молекулярного кислорода или изменении спина одного из его электронов, находящихся на внешних орбиталях.
Применительно к биологическим системам понятия "свободные радикалы" и "АКМ" не совпадают - неспаренный электрон может быть локализован на атомах углерода, серы, азота; так, для живых организмов важное значение имеют тиильные радикалы глутатиона (GS) или радикалы мочевой кислоты с локализацией электрона на атомах Sи N. С другой стороны, такие кислородсодержащие молекулы, как перекись водорода, синглетный кислород, гипогалогениты не являются радикалами, хотя и взаимодействуют с органическими молекулами через радикальные механизмы. Чтобы объединить данные соединения в одну группу с радикалами, вводят понятие "активные формы кислорода" или "активные метаболиты кислорода", которым обозначают ферментативные продукты активации кислорода. По аналогии с активными формами кислорода иногда говорят об активных формах азота, обозначая так продукты преобразования NO-радикалов (NO, NO+, NO¯, NO2, ONOOH), активных формах галогенов (HOCl, OCl¯,HOBr, HOI), активных формах липидов (L, LO, LO2, LOOH) [5]. В биологическом плане наиболее удачно понятие "активированные кислородные метаболиты", под которым подразумевается широкий класс кислородных соединений радикальной и нерадикальной природы.
В живых организмах существуют два принципиально разных источника АКМ: радикальные окислительные реакции и металлопротеиновые ферментативные системы. В обоих случаях молекулярный кислород выступает акцептором электронов, а появление АКМ является результатом неполного восстановления молекулы O2.
Характеристика основных форм АКМ
Первоначально все радикалы, образующиеся в живом организме, было принято делить на свободные, которые легко мигрируют в водных или липидных средах, и связанные, структурно закреплённые и участвующие в цепях переноса электронов. Такое деление достаточно условно, в частности, непонятно, к свободным или связанным относятся в таком случаем убисемихинонные радикалы, которые достаточно легко перемещаются в липидных мембранах. Введённые в последующем понятия "активные формы кислорода и азота" ("reactiveoxygenandnitrogenspecies"), "активные формы хлора", "активные формы липидов" отражали желание исследователей строго определить и классифицировать весьма разнородный класс соединений, объединённых нами под общим названием активированных кислородных метаболитов (АКМ). Сегодня наиболее удачная классификация таких соединений предложена Ю.А. Владимировым, согласно которой все образующиеся в организме АКМ в зависимости от происхождения могут быть разделены на первичные, вторичные и третичные; среди причин появления чужеродных форм АКМ также можно выделить 3 основных фактора: радиация, оптические излучения и ксенобиотики [3]. Деление АКМ на природные и чужеродные оправдано с позиций их биологической значимости.
Действительно, основной функцией природных форм АКМ является регуляторная, затем защитная, в определённых ситуациях, как правило, патологических, они могут становиться токсичными и индуцировать развитие деструктивных процессов, однако такие ситуации являются исключением, а не правилом. Образующиеся при действии радиации или в процессе фотодинамической терапии чужеродные формы АКМ, также как радикалы, возникающие в процессе метаболизма ксенобиотиков, обладают выраженным цитотоксическим и деструктивным действием.
Таблица 1
Классификация АКМ, образующихся в клетках человека и животных
| Природные | Первичные Вторичные Третичные | O2¯, H2O2, NO, CoQo¯ или CoQ10¯ OH, RO, RO2, 1O2, HOCl, HOBr Радикалы антиоксидантов |
| Чужеродные | Радиация УФ-излучение Ксенобиотики | OH, H, R R, RO, RO2, 1O2 Радикалытоксинов |
Иногда в целях регуляторного воздействия применяются доноры NO; попытки усилить защитные функции организма посредством индукции образования АКМ сегодня носят достаточно экзотический характер. Первичные формы АКМ или радикалов образуются с участием специализированных молекулярных механизмов, таких как мембранные НАДФН-оксидазы (восстанавливают O2 в O2¯), NO-синтазы (продуцируют NO) или фотосенсибилизированные процессы, являющиеся основными источниками 1O2. Как правило, эти продукты ферментативного восстановления O2 или его активации, количество весьма ограничено: O2¯, H2O2, ОH, NO, 1O2. Строение и заполнение молекулярных орбиталей O2 подчиняются квантовым законам, что существенно ограничивает количество образующихся продуктов. Первичные АКМ инициируют образование в реакциях свободнорадикального окисления большего числа вторичных радикалов липидов, белков, сахаров, нуклеиновых кислот, многие из которых более токсичны [7]. Деление на первичные и вторичные АКМ или радикалы вполне оправдано, так как позволяет при патологических процессах выделить главные молекулярные механизмы генерации АКМ. Однако, как и в случае с многими другими понятиями свободнорадикальной биологии, дать строгие определения первичных, вторичных и третичных радикалов сложно, так же как сложно точно определить понятие антиоксиданта.
Биологическая роль АКМ
Общая особенность АКМ - высокая реакционная способность и малые значения времён жизни в биологических субстратах, что делает их эффективным инструментом локального действия [8]. Так, действие OH-радикала (радиус диффузии 23 Å) [9] ограничено размером средней ограниченной молекулы (например, величина молекулы пепсина - молекулярная масса 35 кДа - составляет 37 × 74 Å). Анион-радикал O2¯ и синглетный кислород обладают большим радиусом действия, сравнимым с размером клетки, однако уже на клеточном уровне их эффект строго локализован наличием высокоэффективного ферментативного антиоксиданта - супероксиддисмутаза (СОД), а также других антиоксидантов - таких, как витаминE, который инактивирует 1O2посредством физического взаимодействия на расстоянии ~ 50 Å. Сфера влияния радикалов NOраспространяется уже на определённые клеточные структуры, такие как мышечные клетки сосудов, что вызывает их релаксацию, при этом оксид азота принципиально не отличается от гормональных мессенджеров и имеет свой "рецептор" - растворимую гуанилатциклазу. Наибольшим дальнодействием, проявляющимся на тканевом и организменном уровнях, обладают продукты радикальных реакций; так, процессы ПОЛ приводят к образованию альдегидов, эпоксидов, липидных перекисей, которые ингибируют синтез ДНК и деление клеток и в то же время индуцируют развитие опухоли. По-видимому, ПОЛ и его продукты, выступая в роли "первичного медиатора" стресса или "SOS-ответа", представляют один из наиболее ранних регуляторных механизмов, который в процессе эволюции трансформировался в ферментативную эйкозаноидную регуляцию. Окисленные фосфолипиды по свойствам сходны с фактором активации тромбоцитов и могут имитировать действие цикотина на клетки непосредственно через специфический для него рецептор.
Высокая реакционная способность АКМ делает их чрезвычайно токсичными для биологических систем на всех уровнях - от молекулярно-клеточного до организменного. В конце 40-х годов толчком для широкого изучения токсических эффектов АКМ послужили исследования действия радиации на живые организмы. В настоящее время можно утверждать, что АКМ занимают ведущее место в патогенезе радиационного поражения; деструкции тканей, вызванной развитием воспалительной реакции, и связанного с хроническим воспалением опухолеобразования; постишемических, реперфузионных и гипероксических повреждений; а также целого ряда бронхолёгочных, сердечно-сосудистых и других заболеваний. Вместе с тем механизм патофизиологического действия АКМ во многих случаях не ясен, так как утверждение о патофизиологической роли АКМ обычно строится на двух косвенных аргументах: а) интенсивность продукции АКМ коррелируют с развитием патологического процесса; б) ингибиторы АКМ обладают защитным действием.
Открытие явления дыхательного "взрыва" в фагоцитах послужило началом широкого изучения микробицидного действия АКМ, их роли в защите организма. При этом ярко выявилось, что генетически обусловленные нарушения механизмов генерации АКМ (больные с хронических гранулематозом или дефицитом миелопероксидазы) или их ингибирование лекарственным препаратами приводит к снижению неспецифического иммунитета и является причиной либо гибели организма от инфекций, либо развития хронических патологий.
В последние годы выявлен широкий спектр физиологических эффектов АКМ, к которым прежде всего относятся регуляция клеточной пролиферации и тонуса сосудов, индукция транскрипции определённых генов. Показано функционирование АКМ в качестве вторичных внутриклеточных мессенджеров. Так, АКМ непосредственно участвуют в активации онкогенов c-focи с-myc, а также гена c-jun, кодирующего главную форму фактора транскрипции AP-1, в ответ на ионизирующую радиацию. O2¯и H2O2 активируют фактор транскрипции NF-кB, который вызывает экспрессию генов, кодирующих ряд цитокинов и вирусов, в том числе ВИЧ, а NOподавляет активацию NF-кB, индуцируя экспрессию ингибитора фактора транскрипции IкBαи стабилизируя его. Стимуляция НАДФН-оксидазы нейтрофилов сопровождается активацией тирозинкиназ, при этом повышение накопления фосфотирозина обусловлено не только активацией АКМ фосфорилирования тирозина, но и ингибированием дефосфорилирования. В индукции синтеза белков теплового шока, повышающих резистентность клеток к высоким температурам, радиации, токсическому действию ионов тяжёлых металлов и лекарственных препаратов, основная роль отводится перекиси водорода. Выделяемая из облучённых фоторецепторов H2O2 увеличивают длину и количество микроворсинок клеток пигментированного эпителия, что способствует более тесному контакту этих двух типов клеток и реализации антиоксидантных функций эпителия. NOи COсвязываются с гемовой частью гуанилатцитклазы и обратимо изменяют синтез цГМФ, являясь важным компонентом внутри - и внеклеточной коммуникации. NOучаствует в посттранскрипционном контроле метаболизма железа.
Таким образом, образование АКМ в организме нельзя рассматривать, как существующий, но не обязательный элемент процесса жизнедеятельности. Окислительные процессы с участием АКМ является неотъемлемым звеном существования высших форм живых организмов, негэнтропийное состояние которых поддерживается посредством снижения электронной упорядоченности молекулярного кислорода в результате его восстановления. Однако многие вопросы регуляторной функции АКМ, их взаимодействия с антиоксидантами, физиологической и патофизиологической роли сегодня всё ещё остаются спорными.