Свободные радикалы с кислородом в качестве центрального атома (также известные как АФК) печально известны своим губительным, разрушительным типом окислительного воздействия, причиняющим наибольший ущерб живым существам. В настоящей статье мы также рассмотрим и совершенно нормальное, безвредное и безопасное окисление, свойственное здоровой физиологии.
Перенос электронов, какой осуществляется в аккумуляторе или батарейке представляет собой довольно простые реакции. Как правило, для этого требуется лишь один тип восстановителя и один тип окислителя. Но все живое зависит от много большего числа реакций с участием множественных окислителей и восстановителей. Перенос электронов in vivo осуществляется многоступенчато — электроны передаются от одного носителя к другому подобно тому, как это происходит в цепочке приборов с зарядовой связью или подобно передаче палочки в эстафетной гонке. Их перемещение тщательно контролируется и регулируется концентрациями соответствующих реагентов, относительными редокс-потенциалами, рН среды и наличием катализаторов. Именно таким, строго упорядоченным путем — путем окислительно-восстановительных реакций, через несколько промежуточных носителей — электроны передаются от главных метаболических восстановителей (пищи) к главным метаболическим окислителям. Логично будет назвать подобный путь перемещения электронов БППЭ (биологическим порядком переноса электронов).
Для осуществления вышеописанного переноса электронов Природа использует массу специализированных молекул, которые обладают способностью восстанавливаться, а затем снова окисляться и, что характерно — легко и обратимо. К таким молекулам относятся: тиолы, селенолы, фенолы, энедиолы, хиноны, имины и переходные металлы.
Мы говорим об электроне как о главной единице переноса, поскольку именно электроны являются важнейшими компонентами химических связей, которые разрываются и снова восстанавливаются в окислительно-восстановительных реакциях (редокс-реакциях). Когда вместе с электроном переносится протон, атом водорода [H] рассматривается как особый вид переносимой молекулы. Благодаря схожему поведению в редокс-реакциях, электроны и атомы водорода объединяются общим термином «восстановительные эквиваленты». Если же переносятся два электрона и один протон, говорят об эквиваленте гидрид-аниона [H-].
Что конкретно переносится из восстановительных эквивалентов — электроны [e-], атомы водорода [H] или гидрид-анионы [H-] — зависит от участвующих реагентов, рН раствора и типа фермента, катализирующего перенос. Ферменты, участвующие в подобного рода реакциях, именуются дегидрогеназами, оксидазами, пероксидазами или оксидоредуктазами.
К главным восстановителям относятся пища или иные топливные молекулы, у которых ферментативные системы живых организмов отнимают электроны и атомы водорода. Как правило, это сахара, жиры или аминокислоты. После того, как восстановительные эквиваленты высвобождаются из пищи или топливных молекул, они становятся мобилизованными или, как еще говорят, активированными. Активированные восстановительные эквиваленты могут использоваться для выполнения целого ряда метаболических функций, к которым относятся: синтез материи, производство энергии, удаление некоторых окислителей, модификация ксенобиотиков, физиологическая регуляция и т.д.
Конечным акцептором электронов или водорода, как правило, является сильнейший окислитель, который организм способен использовать безопасно. Аэробные организмы используют для этой цели преимущественно двухатомный кислород (О2) и перекись водорода (Н2О2). Анаэробные организмы используют сульфаты (SO4--), нитраты (NO3-) или углекислый газ (СО2), превращая их в сероводород (H2S), аммиак (NH3) или метан (CH4) соответственно.
БППЭ таких реакций:
- AH2 + B → A + BH2
- BH2 + 2C → B + 2CH
- 2CH + D → C + DH2
Нумерация отражает хронологический порядок происходящих редокс-реакций. В этой обобщенной последовательности электроны перетекают от главного (первичного) восстановителя АH2 через носители (или, вернее, челноки) В и С к главному окислителю D. Зная последовательность реакций, можно сделать вывод об электрохимических потенциалах окислителей. D — сильнейший окислитель, за ним идет С, потом В, и потом А, который является самым слабым окислителем. И наоборот, АH2 — самый сильный восстановитель, затем идет ВH2, затем СН и DН2, который является самым слабым восстановителем. Для того, чтобы записать БППЭ в более компактном и удобном виде, лучше всего использовать такой синтаксис:
A/AH2... B/BH2... C/CH... D/DH2
Это абсолютно то же самое, что было уже записано выше. Значок «/» разделяет сопряженные редокс-активные агенты. При этом окислитель записывается слева, а его восстановленная форма — справа. Каждая запись X/XH2 является сокращением полуреакции, обычно записываемой в виде:
XH2 → X + 2H+ + 2e-
Если читать слева направо, то поток атомов водорода начинается как только первая молекула (АH2) передает восстановительные эквиваленты следующему, более сильному окислителю (В) в цепи. Как только В восстанавливается, он становится ВH2. ВH2 затем передает свои восстановительные эквиваленты следующему редокс-активному агенту (С), превращая его в СН и т.д. Для того, чтобы еще более упростить синтакис, следует обратить внимание на то, что уравнения не нужно уравновешивать стехиометрически, т.е. совершенно не нужно писать 2С/2СН. В качестве реального примера, пусть Q обозначает хинон, а Fe — железо. Тогда окисление гидрохинона ионом трехвалентного железа традиционно записывается так:
QH2 + 2Fe+++ → Q + 2Fe++ + 2H+
Но с учетом наших упрощений запись может быть сокращена до:
Q/QH2... Fe+++/Fe++
В данном случае подразумевается буферизация протонов растворителем, а также отношение железо/хинон = 2:1.
Аналогично, передача восстановительных эквивалентов от такого пиридина как, например, никотинамид-аденин-динуклеотид-гидрида (NADH) к оксидоредуктазе, содержащей флавин-аденин-динуклеотид (FAD) обычно записывается в виде:
NADH + H+ + FAD → NAD+ + FADH2
Но мы можем упростить запись до:
NAD+/NADН... FAD/FADH2
В некоторых случаях возможно вмешательство фермента. Например, дегидрогенизация глюкозы-6-фосфата (G6P) глюкоза-6-фосфат-дегидрогеназой (также известной как глюкоза-6-фосфат:NADP+ оксидоредуктаза) может быть кратко записана как:
G6P... NADP+/NADPH
____________________________________________________________________
Принимая во внимание все сказанное выше, рассмотрим теперь некоторые наиболее важные БППЭ в живых организмах. Одна из таких реакций происходит в активированых лейкоцитах — при этом образуется супероксид, который и атакует патогены. Начинается эта реакция с NADH либо NADPH:
NADP+/NADPH... FAD/FADH2... Q/QH2... Цитохром B-Fe+++ /Цитохром B-Fe++... O2/-OO*
Часть супероксида реагирует с окисью азота с образованием пероксиазотной кислоты, которая чрезвычайно цитотоксична по отношению к патогенам и опухолевым клеткам:
-OO* + H+ + *NO → HOONO
HOONO → HO* + *NO2
Другая часть супероксида либо восстанавливается аскорбатом, либо дисмутирует с образованием перекиси водорода, которая активирует миелопероксидазу с образованием гипохлорита из хлорида.
AH2 + 2-OO* + 2H+ → A + 2H2O2
H2O2 + Cl- → H2O + ClO-
Глутатион (GSH) является важнейшим восстановительным антиоксидантом и нейтрализатором ксенобиотиков, действующим через фермент глутатион-S-трансферазу. Глутатион (GSH) легко окисляется до дисульфида (GSSG). Существует целый ряд механизмов физиологического контроля, которые поддерживают большую часть глутатиона в восстановленном состоянии. БППЭ подобных реакций таков:
G6P... NADP+/NADPH... FAD/FADH2... GSSG/GSH
В данном случае FAD/FADH2 обозначает фермент глутатион-редуктазу (также известную как NADPH:глутатион-дисульфид-оксидоредуктаза), поскольку она опосредует передачу восстановительных эквивалентов от пиридина NADPH к дисульфиду (GSSG).
Там, где присутствуют катионы железа и липоперекиси, аскорбаты могут вступать в патологические реакции, при которых генерируются алкоксильные радикалы:
A/AH2... Fe+++/Fe++... ROOH/RO* + OH-
Глутатион обладает выраженной способностью гасить алкоксильные радикалы (RO*) согласно следующему БППЭ:
GSSG/GSH... CoQ10/CoQ10H2... Вит.E-O*/Вит.E-OH... RO*/ROH
Указанный сценарий демонстрирует то, как восстановительные антиоксиданты объединяют свои усилия и берут в общее пользование атомы водорода как часть завершенной оборонной системы, направленной против АФК.
Важнейшей природной защитой от накопления избытка липоперекисей является система глутатион-пероксидазы. Обозначим чере SeH селеноцистеиновые группы в редокс-активном центре глутатион-пероксидазы:
G6P... NADP+/NADPH... FAD/FADH2... GSSG/GSH... Se/SeH... LOOH/LOH+HOH
Это именно тот способ, которым липоперекиси превращаются в сравнительно безвредные спирты и воду. Обычная перекись водорода (НООН) может отлично заменить LOOH в только что приведенном БППЭ. Обратите внимание, что интенсивная эксплуатация такого БППЭ может сильно истощить восстановительные эквиваленты в пулах GSH и NADPH.
Тиоредоксин — это низкомолекулярный белок, содержащий два тесно связанных остатка аминокислоты цистеина. Таким образом, тиоредоксин оснащен двумя редокс-активными тиоловыми группами, которые могут легко восстанавливаться до дитиольной формы, а затем вновь окисляться до дисульфидной формы:
Trx-SS + 2[H] → Trx-(SH)2
Trx-(SH)2 + [O] → Trx-SS + H[O]H
Подобная особенность делает тиоредоксин полезным носителем атомов водорода и поставщиком водорода для других редуктаз. Восстановленный тиоредоксин необходим для преобразования рибонуклеозид-5’-дифосфатов в дезоксирибонуклеозид-5’-дифосфаты.
RNPP-OH + Trx-(SH)2 → dRNPP-H + Trx-SS + H2O
Флавопротеиновая тиоредоксин-редуктаза реактивирует тиоредоксин из имеющегося NADPH. Полная реакционная цепочка такова:
G6P... NADP+/NADPH... FAD/FADH2... Trx-SS/Trx-(SH)2... RNPP-OH/dRNPP-H
Таким образом, без постоянных поставок восстановителей производство предшественников ДНК невозможно.
Фолат не может выступать в роли носителя углерода, если он сначала не оказывается восстановлен до тетрагидрофолата (TH4). ТН4 — необходимый кофермент для производства тимидиловой кислоты, которая, в свою очередь, является необходимым субстратом для синтеза ДНК. Еще раз обратите внимание на то, как рост зависит от избытка восстановителей:
NADPH... FH2/FH4
Самый знаменитый БППЭ — тот, что используется в митохондриях. Он использует энергию переноса электронов для прокачки протонов, которые, в свою очередь, генерируют АТФ. Схематически этот процесс изображен ниже. Обозначим через В, С и А различные типы цитохромов, которые содержат редокс-активное железо внутри порфиноподобных активных центров:
... NAD+/NADH... FMN/FMNH2... CoQ/CoQH2... Цитохром B-Fe+++/Цитохром B-Fe++... Цитохром C-Fe+++/Цитохром C-Fe++... Цитохром A-Fe+++/Цитохром A-Fe++... Цитохром A-Cu++/Цитохром A-Cu+... O2/H2O
NAD+ восстанавливается в нескольких точках цикла трикарбоновых кислот (также известного как цикл Кребса), что подпитывается различными карбоновыми кислотами, включая пируват, ацетат, цитрат, малат и пр.
Электроны могут переноситься в митохондрию из цитоплазмы при работе «глицерофосфатного челнока». В цитоплазме дигидроксиацетон-фосфат (DHAP) восстанавливается до глицерин-3-фосфата (GP), который допускается в митохондрию, где флафопротеиновая глицерофосфат-дегидрогеназа (GPDH) конвертирует его обратно в DHAP. DHAP челночным порядком выходит из митохондрии в цитоплазму, где процесс может повториться. FAD, как показано ниже, представляет собой редокс-активный центр фермента глицерофосфат-дегидрогеназа (GPDH).
NAD+/NADH... DHAP/GP... FAD/FADH2... CoQ/CoQH2... Цитохромы... O2/H2O
Гормоны щитовидной железы, среди прочего, стимулируют повышенный синтез глицерофосфат-дегидрогеназы (GPDH), что представляет собой часть механизма, за счет которого щитовидная железа увеличивает производство энергии. Более сложная челночная система включает в себя яблочную кислоту. Таким образом, хорошо оксигенированная и правильно работающая митохондрия может поглощать водород из цитоплазмы.
Концентрация различных первичных аминов (R-CH2 -NH2) регулируется окислением. Примерами первичных аминов являются: аминокислоты, гистамин, нейротрансмиттеры, полиамины и токсичные амины из кишечной флоры. Полиамины являются необходимыми компонентами структуры хромосом. Различные типы редокс-активных центров используются в семействе ферментов, известных как аминоксидазы. К ним относятся медь, флавины и пирролохинолиновые хиноны. Моноаминоксидазы (МАО) в митохондриях служат для защиты митохондрий от скопления избытков аминов. Если бы такого контроля не было, то амины вступали бы в реакцию с различными карбонильными группами в митохондриях и ингибировали бы их функцию. Синапсы нервных клеток используют МАО своих митохондрий для инактивации нейротрансмиттеров, в процессе чего образуется супероксид:
R-CH2 -NH2 + FAD → R-CH=NH + FADH2
FADH2 + 2O2 → FAD + 2-OO* + 2H+
Или, сокращенно:
R-CH=NH / R-CH2 -NH2... FAD/FADH2... O2/-OO*
Имин (R-CH=NH), возникающий при этой реакции, нестабилен и гидролизуется с образованием альдегида и аммиака:
R-CH=NH + H2O → R-CH=O + NH3
Альдегиды, сульфиты и ксантины устраняются окислительным путем при помощи ферментов, использующих молибден, флавин и железо. Можно привести в пример альдегид-оксидазу, которая дегидрогенизирует гидратированные альдегиды, превращая их в карбоновые кислоты:
R-CH=O + H2O → R-CH-(OH)2
R-CH-(OH)2 + фермент → R-COOH + фермент[e-]2 + 2H+
Или сокращенно:
RCOOH/RCHO... Mo+6/Mo+5... FAD/FADH*... Fe+++/Fe++... O2/-OO*
______________________________________________________________________
Все, о чем мы говорили выше, говорилось лишь с одной целью — подчеркнуть, насколько все БППЭ интегрированы в метаболизм всех живых существ. Они совершенно необходимы для утилизации пищи и топлива, для удаления метаболитов или токсинов, для синтеза, для производства энергии, для модификации ксенобиотиков, для сдерживания свободнорадикальных процессов и для механизмов физиологической сигнализации. Все эти утонченные системы могут функционально блокироваться или ингибироваться такими дыхательными ядами, как аммиак, цианиды, сульфиды или двухвалентная ртуть. Они также могут выходить из строя из-за недостатка питательных веществ или метаболического истощения ключевых компонентов, таких как цистеин, ниацин, рибофлавин, медь, селен, аскорбат, биофлавоноиды, токоферолы или убихиноны. Течение таких заболеваний как всевозможные аллергии, инфекции и рак связано и зависит от тех или иных сбоев в БППЭ. При этом сбои могут быть локальные, региональные или системные (т.е. охватывающие весь организм). При наступлении подобных сбоев происходит накопление восстановителей, которые и питают определенные патологические процессы, зависящие от активного синтеза. Точно также могут накапливаться до запредельных уровней, приводящих к заболеваниям, и определенные метаболиты, которые из нормального организма своевременно выводятся путем окисления.
Терапевтические окислители, вводимые в достаточных дозировках, могут поглотить активированные электроны или атомы водорода так, что истощат их запасы на различных носителях. Это сделает их менее доступными для подпитки определенных заболеваний, которые зависят от избытка веществ или восстановителей. Так, например, окисление может ингибировать любой патологический процесс, сильно зависящий от активного синтеза. Как уже отмечалось выше, два важнейших этапа в синтезе ДНК (активность тиоредоксина и наличие тетрагидрофолата) зависят от избытка восстановителей. Если истощить запас восстановителей, синтез ДНК ингибируется. Это обуславливает широчайший спектр противовирусных, антибактериальных, противогрибковых и противоопухолевых эффектов.
Терапевтическим окислителям не нужно отрывать электроны или атомы водорода непосредственно от целевых патологических восстановителей. Напротив — процесс может быть в высшей степени косвенным. Окислители различных типов могут отнимать восстанавливающие эквиваленты от самых разнообразных доноров, с которыми они вступают в контакт. Как только некий носитель лишается своего восстановительного эквивалента, он «опустошается» и может уже сам выступать в роли окислителя по отношению к другим донорам. Когда и те лишатся своих восстановительных эквивалентов, то еще целая рать доноров превратится в окислители. Общий конечный эффект подобной цепной реакции или последовательности превращений — истощение восстановительных эквивалентов в самых отдаленных уголках тела косвенным путем. Как правило, это зацепляет и восстановители, кормящие патологию. Например, перекиси присоединяют атомы водорода через БППЭ глутатион-пероксидазы, что истощает запасы NADPH, т.е. важнейшего поставщика восстановительных эквивалентов для ферментов, отвечающих за процессы синтеза в цитоплазме.
Теоретически, терапевтические окислители могут также дополнять функции некоторых БППЭ по удалению нежелательных веществ. Например, если какие-то окислители способствуют удалению гистамина, то после лечения такими оксидантами должно наступать немедленное облегчение любых аллергических проявлений. Аналогично, если окислители ускоряют удаление полиаминов, то после лечения оксидантами инфекционные патогены и опухоли, рост и размножение которых, как хорошо известно, сильно зависят от избытка полиаминов, должны исчезнуть или прекратить свое развитие.
Смысл прямого и косвенного действия окислителей (через БППЭ) — стимуляция определенных физиологических триггеров. Примером такого важнейшего триггера или рецептора окисления является лейкоцит, которому необходим восстановленный глутатион (GSH) — при окислении до дисульфида (GSSG) происходит высвобождение ядерного фактора каппа В (ЯФКВ). ЯФКВ, в свою очередь, вызывает синтез иммуноактивных цитокинов. Апоптоз (программируемая клеточная смерть) опухолей или аллергенных лейкоцитов может быть точно также инициирована окислителями. В эритроцитах процесс преобразования GSSG в GSH приводит к повышенным уровням 2,3-дифосфоглицерата (2,3-DPG). Это вещество присоединяется к гемоглобину и заставляет его с большей легкостью высвобождать кислород именно тогда, когда он больше всего необходим периферическим тканям.
Я надеюсь, что данная статья воодушевит думающего читателя глубже исследовать все разнообразие БППЭ, действующих во всех живых существах. Понимание этой области особенно необходимо для разработки и осмысленного применения лекарственных средств в рамках био-окислительной медицины. И хотя понятие БППЭ не является общепринятым, на совершенно той же самой концепции основаны такие понятия, как:
- редокс-регуляция
- окисление
- оксидоредуктазы
- дегидрогеназы
- никотинамид-аденин-динуклеотид (NAD+)
- флавины
- флавопротеины
- флавин-аденин-динуклеотид (FAD)
- цитохромы
- цепи переноса электронов
- челноки
- окислительное дезаминирование
- оксидазы
- аминооксидазы и т.д.
Перекиси
В общем и целом введение в организм окислителя имеет намного более далеко идущие последствия, чем первичная реакция окислителя с той областью, с которой он соприкасается. Иными словами, какой бы окислитель мы ни ввели in vivo, он должен найти какой-то восстановитель, с которым он мог бы прореагировать. И эта реакция — отнюдь не конец, а как раз начало, поскольку продукты, возникающие в результате первичной реакции, вызовут к жизни вторичные реакции с другими веществами. Продукты вторичных реакций зачастую могут вызывать дальнейшие реакции.
Например, выше было показано, как отъем водорода от интактного БППЭ на любом его этапе может вызвать перераспределение восстановительных эквивалентов на других этапах затронутого БППЭ. Если это происходит, то происходит и масса физиологических перестроек, часть из которых могут быть вполне благоприятными, а часть — очень даже вредоносными.
Одним из таких неблагоприятных эффектов является перекисное окисление липидов (ПОЛ). Каскад событий показан ниже. Пусть R* обозначает вещество, способное интенсивно отнимать водород (обычно это АФК), LH — чувствительный к окислению липид (например, ПНЖК), LOOH — липоперекись, а AOH — любой антиоксидант, способный отдавать водород.
Инициация: R* + LH → RH + L*
Распространение:
L* + O2 → LOO*
LOO* + LH → LOOH + L*
Прекращение:
L* + L* → LL
L* + LOO* → LOOL
LOO* + AOH → LOOH + AO*
Если реакция распространения начнет протекать бесконтрольно, могут произойти существенные разрушения с большими последствиями, к которым относятся токсичные липоперекиси, повреждение клеточных мембран, различных органелл, мутация нуклеиновых кислот, инактивация важных ферментов, разрушение питательных веществ и гибель важных клеток.
Однако необходимо сразу же отметить, что указанные разрушительные последствия неконтролируемого ПОЛ и прочие опасные реакции с участием АФК не характерны для окислительной терапии. Практически все терапевтические оксиданты назначаются в низких дозировках по сравнению с дозировками обычных лекарств или питательных веществ. А точнее ровно столько, сколько необходимо для изменения вполне определенных редокс-условий в теле, без причинения вреда структурам, чувствительным к окислению.
Система глутатион-пероксидазы (которая представляет собой БППЭ) работает весьма аккуратно. Ее можно активировать назначением разбавленной перекиси водорода (Н2О2) так, что никаких вредоносных свободных радикалов при этом генерироваться не будет. Пусть GPrx-SeH обозначает восстановленную форму фермента глутатион-пероксидаза, что подразумевает наличие селеноцистеина (соединения между аминокислотой и селенолом) в качестве редокс-активного центра.
G6P... NADP+/NADPH... FAD/FADH2... GSSG/GSH... GPrx-Se/GPrx-SeH... HOOH/HOH
Эта система точно также превращает липоперекиси (LOOH) в спирты (LOH).
... LOOH / LOH + HOH
Обратите внимание на то, как перекиси могут превращать глутатион (GSH) в глутатион-дисульфид (GSSG), что влечет за собой массу вторичных физиологических эффектов, к которым относятся:
- повышающая регуляция синтеза глутатион-редуктазы
- физиологическая активация управляющих клеток иммунной системы с высвобождением цитокинов
- повышение уровня 2,3-дифосфоглицерата (2,3-DPG).
Истощение восстановительных эквивалентов у NADPH сажает на временный голодный паек определенные функции синтеза, такие как: синтез жирных кислот, активация фолата или синтез ДНК. Кроме того, многие ферменты, чья активность зависит от присутствия тиолов (RSH), могут обратимо ингибироваться при дегидрогенизации, что может быть осуществлено при помощи большого разнообразия окислителей [O], включая дисульфиды (RSSR) подобные глутатион-дисульфиду (GSSG).
фермент-SH + фермент'-SH + [O] → фермент-SS-фермент' + H[O]H
фермент-SH + фермент'-SH + GSSG → фермент-SS-фермент' + 2GSH
Указанные реакции пойдут еще легче, если в наличии имеется большое отношение GSSG/GSH, возникающее вслед за активным использованием системы глутатион-пероксидазы.
На этом этапе невозможно удержаться от небольшого экскурса в нутрицевтику. Дефицит селена вызывает дефицит селеноцистеина, который столь необходим для синтеза глутатион-пероксидазы. Такая ситуация позволяет накопление токсичных уровней липоперекисей или перекиси водорода. Если же сюда добавится еще и свободное двухвалентное железо (Fe++), то могут возникнуть высоко вредоносные алкоксильные радикалы (RO*) или гидроксил-радикалы (HO*).
Fe++ + ROOH → Fe+++ + RO* + OH-
Fe++ + HOOH → Fe+++ + HO* + OH-
На счет токсичных эффектов этих АФК относят возникновение и атеросклероза, и рака, и иммунодефицита, что очень часто подтверждается эпидемиологически (бедностью почв селеном).
Однако проблема нейтрализации перекисей не является сугубо проблемой дефицита селена. Неспособность глутатион-пероксидазы окислять глутатион (GSH) до глутатион-дисульфида (GSSG) участвует здесь в равной степени. И проблему эту нельзя решить в короткие сроки, добавляя, скажем, селенит натрия к растворам для внутривенного введения — требуется еще и значительное время. Потому что для того, чтобы превратить селенит в селеноцистеин уже требуется немало времени, а потом еще нужно время для того, чтобы из селеноцистеина синтезировалась глутатион-пероксидаза. В эритроцитах этот процесс протекает особенно медленно, ибо он может происходить только в прекурсорах эритроцитов, для чего (для замены циркулирующих безъядерных эритроцитов) требуется несколько месяцев.
Аналогичным образом, наличие глутатиона (GSH) очень зависит от типа питания и факторов окружающей среды. GSH — это трипептид, производимый в цитоплазме из глутаминовой кислоты, цистеина и глицина. Дефицит любой из этих трех аминокислот приводит к дефициту GSH и, соответственно, дефициту GSSG. Дефицит GSH не позволяет нормальное функционирование целого ряда БППЭ, а также массы физиологических триггеров, зависящих от присутствия GSSG.
Особенно опасное истощение глутатиона происходит у больных, злоупотребляющих ксенобиотиками. Глутатион приносится в жертву важнейшему механизму детоксикации — он сопрягается с ксенобиотиками посредством фермента глутатион-S-трансферазы. И если его запасы не восполняются, то происходит серьезное обрушение всех глутатион-зависимых функций.
Клиническое улучшение состояния больных, наблюдаемое иногда в связи с назначением определенных ПНЖК (вроде льняного масла или морских масел), как правило, связано с воздействием жирных кислот таких масел на баланс в теле простагландинов и прочих докозоидов.
Однако следует помнить, что ПНЖК чрезвычайно чувствительны к перекисному окислению. Физиологический эффект от избытка липоперекисей, наступающего вслед за введением ПНЖК, таков, что происходит истощение восстановительных эквивалентов в системе глутатион-пероксидазы.
Другим потенциальным источником липоперекисей с терапевтическими свойствами являются так называемые эне-реакции синглетного кислорода с олефинами, в результате которых образуется ограниченное количество липоперекисей без опасности неконтролируемого распространения.
R2-CH-CH=CH-R' + O=O → R2-C=CH-CH(OOH)-R'
Понятие «синглетный кислород» — не то же самое, что «одноатомный кислород». Синглетный кислород представляет собой более реакционноспособную форму двухатомного кислорода, обладающую высокой энергией. Он легко образуется из так называемой «триплетной», низкоэнергетической формы кислорода под воздействием ультрафиолета. Синглетный кислород может также взаимодействовать с фенольными веществами с образованием ароматических гидроперекисей, которые затем трансформируются в хиноны. Синглетный кислород может быть дезактивирован посредством контакта с такими поглотителями энергии, как каротиноиды, парааминобензойная кислота (ПАБК) и сульфаниламиды.
Важным источником терапевтической перекиси водорода является гидролиз озонидов. Озон, назначаемый либо в виде аутогемотерапии, либо каким-то иным способом, быстро растворяется в водном секторе тела, где и вступает в реакцию с олефинами с образованием озонидов. Озониды реагируют с водой с образованием двух альдегидных групп и одной молекулы перекиси водорода на каждую гидролизованную озонидную группу.
O3 + R-CH=CH-R' → R-CH-O3-CH-R' → R-CH-OO + R'-CH=O
R-CH-OO + H2O → R-CH(OH)(OOH) → R-CH=O + HOOH
Таким образом, озоновая терапия представляет собой смешанный эффект от перекиси водорода, различных альдегидов и ряда других возможных продуктов озонирования.
Еще одним источником перекиси водорода (НООН) может служить супероксид-анион (*ОО-) — посредством супероксиддисмутазы (СОД) из каждых двух *ОО- получается одна молекула НООН. Таким образом, потенциальные враги могут превращаться в друзей.
2(-OO*) + 2H+ → OO + HOOH
Вообще, супероксид — не бог весть какая опасная АФК. Однако при физиологических значениях рН, от 1 до 2% супероксида превращаются в намного более опасную сопряженную кислоту — гидроперекисный радикал (НОО*).
-OO* + H+ ←→ HOO*
С помощью любого антиоксиданта, способного отдавать водород (АОН), гидроперекисный радикал (HOO*) может превращаться обратно в перекись водорода (НООН).
AOH + HOO* → AO* HOOH
Самыми распространенными источниками супероксида (-ОО*) in vivo являются:
- медицинские имидазолы
- хиноны
- некоторые активированные лейкоциты
- флавопротеины, такие как
- аминооксидаза
- сульфит-оксидаза
- альдегид-оксидаза
- ксантин-оксидаза.
Одним из самых интересных химических процессов в биологическом окислении является авторегенерация перекиси водорода (Н2О2). Перекись водорода может в буквальном смысле исчезать и появляться вновь. При надлежащих условиях этот процесс может самораспространяться до тех пор, пока либо не исчерпается пул водородных доноров, либо не прекратится подача двухатомного кислорода, либо перекись водорода не будет устранена каким-то сторонним способом. Этапы авторегенерации перекиси водорода показаны ниже. Пусть HXH обозначает один многих возможных двухвалентных доноров водорода, в изобилии присутствующих во всех живых существах, Р — фермент пероксидазу, а Р** — его активированную форму.
- HOOH + P → P**
- 2HXH + P** → 2HX* + P + 2HOH
- 2HX* + 2OO → 2X + 2(-OO*) + 2H+
- 2(-OO*) + 2H+ → OO + HOOH
Суммарный эффект всех указанных процессов можно в сокращенной форме записать как
5. 2HXH + OO → 2X + 2HOH
Уравнение 1 представляет собой присоединение перекиси водорода к активному центру пероксидазы. Это семейство ферментов использует редокс-активные железо-порфиновые простетические группы.
Уравнение 2 показывает как активированная пероксидаза по одному отнимает атомы водорода у самых разнообразных доноров, что дает два свободных радикала 2НХ*.
В 3-м уравнении двухатомный кислород, присутствующий в изобилии, гасит НХ* путем отнятия второго атома водорода. Таким образом получаются две молекулы супероксида (-ОО*).
Уравнение 4 показывает дисмутацию супероксида, что генерирует новую молекулу перекиси водорода (НООН). Ну, а поскольку эта новорожденная перекись водорода сразу же наталкивается на очередную пероксидазу, то весь процесс возобновляется заново.
Обратите внимание, что, согласно итоговому уравнению 5, общий эффект заключается в дегидрогенизации больших количеств двухвалентных носителей водорода. Также заметьте, что немитохондриальное поглощение одной молекулы двухатомного кислорода происходит в каждом подобном цикле. Именно это объясняет увеличение поглощения двухатомного кислорода, отлично видного в клинической практике по внутривенному вливанию пациентам разбавленной перекиси водорода. Впервые это явление было описано Чарльзом Фаром. Этот процесс также объясняет обширные физиологические изменения и клиническое улучшение состояния пациентов после внутривенной перекисно-водородной терапии, наступающее после того, как выводятся всевозможные токсины или избыток метаболитов (НХН). Перекись водорода может также назначаться перорально (естественно, разбавленная) в виде перекиси магния. Правда, существует некоторая вероятность, что прием Н2О2 через рот может вызывать рак слизистой оболочки кишечника.
Кроме того, перекись водорода может окислительно взаимодействовать с цитохромами митохондрий, что приводит к усиленной челночной передаче восстановительных эквивалентов в последних. В результате всего этого получаем:
- ингибирование различных процессов в цитоплазме, зависящих от избытка восстановителей
- стимуляцию физиологических триггеров, чувствительных к окислению.
Резюмируя вышесказанное, можно выделить три важнейших механизма, посредством которых перекись водорода может истощить восстановительные эквиваленты:
- система глутатион-пероксидазы
- авторегенерация перекиси водорода и
- челночный перенос водорода в митохондрии.
Как было показано выше, липоперекиси могут возникать в результате цепной реакции, в которой участвует алкил-пероксильный радикал (ROO*), или в результате эне-реакции с участием синглетного кислорода. Теоретически, обе эти реакции могут оказывать благотворный окислительный эффект путем поглощения восстановительных эквивалентов посредством системы глутатион-пероксидазы. Однако это возможно только в том случае, если в организме в достаточном количестве присутствуют все необходимые прекурсоры: ниацин, рибофлавин, цистеин и селен.