СВОБОДНО-РАДИКАЛЬНЫЕ ПРОЦЕССЫИ ИХ РЕГУЛЯЦИЯ. ОКИСЛИТЕЛЬНЫЙ СТРЕСС И ЕГО ЗНАЧЕНИЕ В РАЗВИТИИ ПАТОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
Давыдов ВВ
Свободно-радикальные процессы в организме
Около 80% химических реакций, происходящих в клетках, являются каталитическими. Они обеспечиваются существованием ферментов. Вместе с тем в организме человека постоянно происходят и некаталитические реакции, которые протекают по свободно-радикальному пути с участием свободных радикалов.
Что такое свободные радикалы? К свободным радикалам относятся атомы, или молекулы, в состав которых входят атомы, содержащие неспаренные электроны. Наибольшее распространение среди них имеют супероксидный анион радикал, гидроксильный радикал, окись азота, липидные радикалы и др. (рис.1).
супероксидный анион радикал
гидроксильный радикал
окись азота
липоксильный радикал
Рис. 1. Наиболее распространенные свободные радикалы в клетках организма человека
Присутствие в радикале неспаренного электрона придает ему высокую реакционную способность. Высокая агрессивность свободных радикалов определяется тем, что они стремятся как можно быстрее образовать электронную пару, отрывая электрон от любых других окружающих их молекул. За счет этого большинство свободных радикалов обладают очень коротким временем жизни, которое исчисляется миллионными долями секунды (гидроксильный радикал). Однако существуют и довольно стабильные мало реакционноспособные радикалы, время жизни которых составляет минуты (окись азота).
Несмотря на свою высокую реакционную способность, свободные радикалы постоянно присутствуют в клетках. Давайте рассмотрим, каким образом они в них образуются? И сделаем это на примере наиболее распространенных свободных радикалов кислорода и азота.
Молекула кислорода имеет следующее электронное строение:
Она обладает свойством принимать дополнительные электроны от различных восстановителей. В качестве них могут выступать различные органические и неорганические вещества.
Существует 2 основных пути образования свободных радикалов в клетках:
· ферментативный;
· неферментативный.
Ферментативный путь образования свободных радикалов связан с химическими реакциями, которые катализируются флавиновыми дегидрогеназами (среди них ксантиноксидаза, моноаминооксидаза, оксидазы аминокислот, НАДФН-оксидаза, представляющая собой флавоцитохром плазматических мембран особенно у фагоцитов). Важную роль в радикалообразовании приобретают электронтранспортные цепи митохондрий и эндоплазматического ретикулума.
В дыхательной цепи митохондрий, особое значение в этом принадлежит I комплексу (НАДН-дегидрогеназе) и убихинону. Передавая 1 электрон кислороду, они превращают его в супероксидный анион радикал (рис. 2), который представляет собой продукт неполного восстановления кислорода в дыхательной цепи. Скорость этого процесса возрастает в условиях тканевой гипоксии. Супероксидный анион радикал далее может принимать еще один электрон и при этом превращаться в перекись водорода (рис. 2).
a
б
Рис. 2. Образование активных форм кислорода в дыхательной цепи митохондрий (а) и их электронное строение (б)
Присоединение следующего электрона к перекиси водорода приводит к образованию гидроксильного радикала – наиболее агрессивного радикала, возникающего в клетках организма человека.
Все перечисленные продукты неполного восстановления кислорода (супероксид, перекись водорода и гидроксильный радикал) относятся к активным формам кислорода.
Как уже указывалось ранее, важный вклад в образование свободных радикалов в клетке вносят флавиновые дегидрогеназы. К их числу относится ксантиноксидаза:
Другим путем образования свободных радикалов могут быть неферментативные реакции. В них принимают участие металлы переменной валентности – железо, медь и др. Так, гидроксильный радикал может образовываться в реакции Фентона и Хабера Вейса:
При этом в качестве донора дополнительного электрона для перекиси водорода выступает атом восстановленного железа или супероксидный анион-радикал.
Образование радикалов кислорода (гидроксила) может происходить и в реакции радиолиза воды, при ее облучении α-частицами:
Н2О → Н+ + HO• + е
Взаимодействие свободных радикалов кислорода с органическими молекулами, в свою очередь, может приводить к образованию радикалов органических молекул (т.н. жирных кислот, аминокислот и др.):
Нерадикальные продукты неполного восстановления кислорода (перекись водорода) могут использоваться для образования целой группы агрессивных веществ – активных форм кислорода (в реакции Фентона), азота и хлора:
Эта реакции идет при участии фермента миелопероксидазы.
Источником образования окиси азота является NO-синтазная реакция:
Окись азота может использоваться для образования более агрессивного стабильного вещества (активной формы азота) – пероксинитрита:
Пероксинитрит активно реагирует с включенными в состав полипептидных цепей белков ароматических аминокислот, вызывая их нитрозилирование. При разложении пероксинитрита, в свою очередь, может образовываться еще более агрессивный гидроксильный радикал:
Образовавшиеся в клетках свободные радикалы далее инициируют в них цепные свободнорадикальные процессы. В них вовлекаются самые разнообразные органические молекулы – липиды, аминокислоты, углеводы и др. Одним из первых свободнорадикальных процессов, который был хорошо изучен, является перекисное (свободнорадикальное) окисление липидов.
Перекисное окисление липидов (ПОЛ) представляет собой свободнорадикальный процесс, который связан с окислением различных липидов и происходит без участия ферментов. Подобно другим свободнорадикальным процессам он протекает в три стадии:
· инциации свободно радикальной цепи;
· продолжения свободнорадикальной цепи (элонгации);
· обрыва свободнорадикальной цепи (терминации).
На первой стадии (стадии инициации) происходит образование свободных радикалов липидов. Ранее мы уже рассматривали пути образования свободных радикалов в клетках. Особое значение среди них в инициации ПОЛ имеет гидроксильный радикал. Он вступает во взаимодействие с липидными молекулами, приводя к появлению свободных радикалов липидов:
В качестве липидов, атакуемых свободными радикалами, используются преимущественно остатки высших жирных кислот, включенные в состав мембранных фосфолипидов. В большей мере чувствительны к свободнорадикальному окислению остатки полиненасыщенных жирных кислот (линолевой, линоленовой, арахидоновой и др.).
Образование липидных радикалов завершает I стадию процесса перекисного окисления.
На II стадии перекисного окисления липидов (стадии элонгации), свободные радикалы липидов взаимодействуют с молекулярным кислородом. В результате этого образуются новые липидные радикалы и продукты их превращения – перекиси липидов:
Возникающие липидные радикалы и перекиси липидов далее подвергаются превращениям, в результате которых происходит лавинообразное появление новых липидных радикалов. При этом один свободный радикал, возникший на I стадии процесса, является источником сотен и тысяч других радикалов. Лавинообразная генерация радикалов происходит без участия ферментов в соответствии со схемой на рис. 3.
Рис. 3. Элонгация в процессе ПОЛ
За счет неферментативного взаимодействия липидных молекул, липидных радикалов и продуктов их превращений, на стадии продолжения цепи в процесс радикалообразования вовлекаются все новые и новые липидные молекулы.
Некоторая часть перекисей липидов может отвлекаться от процесса радикалообразования и использоваться в различных химических реакциях, в результате которых образуются карбонильные вещества (альдегиды, кетоны), спирты и эпоксиды. Наиболее широкое распространение из них имеют альдегиды.
В процессе ПОЛ образуется широкий спектр альдегидов в клетках. Среди них: малоновый диальдегид, 4-гидроксиноненаль, глиоксаль, кротоновый альдегид и др (рис. 4):
глиоксаль акролеин 4-гидрокси-2-алкенали
малоновый диальдегид
Рис. 4. Отдельные представители эндогенных альдегидов, образующиеся в процессе ПОЛ
Все они, за счет присутствия в молекуле альдегидной группы, обладают высокой реакционной способностью. При взаимодействии альдегидов с белками происходит образование конечных продуктов свободнорадикального окисления, к которым относятся соединения типа шиффовых оснований:
шиффово основание
Помимо соединения с белками и аминокислотами, альдегиды обладают способностью взаимодействовать с нуклеиновыми кислотами. За счет проявления их агрессивных химических свойств эндогенные альдегиды, образующиеся в процессе ПОЛ, обладают выраженным цитотоксическим и генотоксическим действием, которое ведет к повреждению и гибели клетки.
Соединения типа шиффовых оснований плохо метаболизируются. Будучи неспособными распадаться в клетках, они постепенно накапливаются в них, участвуя в образовании пигмента старения – липофусцина (рис. 5), содержание которого возрастает в клетках с течением времени.
Рис. 5. Гранулы липофусцина в клетке на электронной микрофотографии
Процесс образования свободных радикалов может обрываться под влиянием различных факторов. При этом наступает заключительная стадия перекисного окисления липидов – стадия обрыва цепи. Обрыв цепи может происходить за счет взаимодействия радикалов друг с другом, в результате чего образуются стабильные нерадикальные продукты обмена:
Ее возникновение может быть связано и с эффектом присутствующих в клетках антиоксидантов.
Антиоксиданты
К антиоксидантам относятся вещества, под влиянием которых происходит уменьшение скорости свободно-радикальных процессов. По механизму действия, все антиоксиданты можно подразделить на 2 основные группы:
· превращающие свободные радикалы в стабильные молекулы;
· тормозящие процесс образования свободных радикалов.
К первой группе относятся вещества, которые вызывают восстановление свободных радикалов в стабильные молекулы (ловушки свободных радикалов). Механизм их эффекта может быть описан уравнением:
Из него видно, что антиоксиданты выступают в роли донора электрона для свободного радикала. Принимая дополнительный электрон, свободный радикал трансформируется в стабильную молекулу, а антиоксидант при этом превращается в свободный радикал. Однако радикалы антиоксидантов обладают низкой реакционной способностью и поэтому не способны далее превращать липидные молекулы в свободные радикалы, т.е. инициировать образование новых свободнорадикальных цепей. В процессе метаболизма они восстанавливаются ферментативными системами до стабильных молекул, после чего повторно используются как ловушки свободных радикалов.
В организме встречается большое количество веществ и, в том числе продуктов метаболизма, относящихся к этой группе антиоксидантов. К ним относятся витамины С и Е (α-токоферол), мочевая кислота, билирубин, этанол, гормон мелатонин, биофлавоноиды (кверцетин) и др.
На рисунке 6 представлен механизм антиоксидантного действия α-токоферола и схема его восстановления в исходное состояние (стабильную молекулу):
Рис. 6. Антиоксидантный эффект α-токоферола на липидный радикал ROO· и его восстановление аскорбиновой кислотой
Помимо ловушек свободных радикалов к этой группе антиоксидантов относятся также некоторые ферменты, превращающие свободные радикалы в стабильные молекулы, т.н. супероксиддисмутаза (СОД):
Ко второй группе антиоксидантов относятся вещества, которые препятствуют образованию радикалов. К ним относятся вещества, которые:
· повышают устойчивость мембранных липидов, а сводобнорадикальному окислению (мембраностабилизаторы) – токоферолы и др.;
· разрушают нерадикальные активные формы кислорода из которых могут образовываться гидроксильный и супероксидный радикалы. К ним относятся ферменты каталаза (разрушает перекись водорода), глутатионпероксидазы (расщепляющие перекиси липидов):
· окисляют восстановленное железо, которое может использоваться в реакции Фентона (фермент церуллоплазмин):
4 Fe2+ + 4 H+ + O2 = 4 Fe3+ + 2H2O
· комплексоны (этилендиаминтетраацетат - ЭДТА) и белковые вещества, которые связывают восстановленное железо (ферритин, трансферрин, металлотионеины).
По строению, все антиоксиданты можно подразделить на 2 группы:
· низкомолекулярные (витамины Е и С, билирубин, этанол, мочевая кислота, ЭДТА и др.);
· белковые. К ним относятся ферменты (каталаза, церуллоплазмин и др.) и некаталитические белки (ферритин, трансферрин, тиоредоксин, металлотионеины и др.).
Среди ферментативных антиоксидантов выделяются ферменты первой линии антиоксидантной защиты, которые проявляют эффект при совместном функционировании. К ним относятся СОД, каталаза и глутатионпероксидазы.
Супероксиддисмутаза, дисмутирует супероксидный анион радикал, блокируя продолжение свободнорадикальной цепи (дай корректную реакцию):
А каталаза и пероксидазы разрушают перекиси, которые участвует в образовании свободных радикалов.
В клетках присутствуют многочисленные глутатионпероксидазы. Среди них и вылеляется особая группа ферментов в активный центр которых входит атом селена. В условиях дефицита этого микроэлемента в организме понижается антиоксидантная активность тканей.
Все присутствующие в организме антиоксиданты образуют антиоксидантную систему организма. Именно она обеспечивает стабилизацию скорости свободнорадикальных процессов в клетках и предупреждает их повреждение свободными радикалами. При этом вклад антиоксидантных ферментов в антиоксидантную защиту клеток значительно выше, чем низкомолекулярных антиоксидантов.