4.2. ФАКТОРЫ АНТИОКСИДАНТНОЙ ЗАЩИТЫ КЛЕТОК

Высказывается точка зрения о нескольких уровнях защиты клеток мак-роорганизма от активных форм кислорода (Петрович Ю.А., Гуткин Д.В.,1986), , которые могут быть представлены следующим образом:

1-й уровень - системная защита клеток за счет значительного снижения напряжения O2 в тканях по сравнению с атмосферным воздухом;

2-й уровень - обеспечивается в процессе четырехэлектронного восста-новления основной массы внутриклеточного O2 при участии цитохромокси-дазы без освобождения свободных радикалов;

3-й уровень - ферментативное удаление образовавшихся супер-оксидного анион-радикала и H2O2;

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

5-й уровень - ферментативное восстановление гидроперекисей полине-насыщенных жирных кислот.

Число эндогенных соединений, относимых к антиоксидантам, постоян-но возрастает. Нет единой универсальной классификации антиоксидантов.

Некоторыми авторами предпринята попытка классификации антиокси-дантов с точки зрения их ММ на 2 группы:

I группа. Высокомолекулярные соединения - ферменты антиокси-дантной защиты, а также белки, способные связывать ионы Fe и Cu, являю-щиеся катализаторами свободнорадикальных процессов. Антиокси-дантные ферменты (СОД, церулоплазмин, каталаза, глутатионзависимые ферменты) обеспечивают комплексную антирадикальную защиту биополимеров.

Для ферментативных антиоксидантов характерны высокая специ-фичность, строго определенная органная и клеточная локализация, а также использование в качестве катализаторов металлов Cu, Fe, Mn, Zn, Se (Мень-шикова Б.Е., Зенков Н.К., 1993).

К числу белков, обладающих способностью связывать металлы с пере-менной валентностью и соответственно обладающих антиоксидант-ными свойствами, относят альбумины крови, трансферрин, ферритин, лактофер-рин. Многие из них весьма эффективны в ингибировании свободнорадикаль-ных процессов, но слабо проникают через мембраны и тканевые барьеры (Белизи С. и соавт., 1997; Синичкин А.Н., 1997; Синичкин А.А., Медведева И.А., Маслова М.Н., 1997; Кошпаева Е.С., 1997).

II группа. Низкомолекулярные антиоксиданты: некоторые амино-кислоты, полиамины, мочевина, мочевая кислота, глутатион, аскорби-новая кислота, билирубин, -токоферол, витамины группы A, K, P (Соколовский В.В., 1988, Кения М.В., Лукиш А.И., Гуськов Е.П.,1993).

При этом можно говорить о своеобразных антиоксидантных цепях пе-реноса электронов, эффективность функционирования которых определяется работой всех компонентов (Сторожок Н.М., 1998).

Эффекты антагонизма установлены в действии смеси -токоферола с природными хинонами (убихиноном, филлохиноном). Напротив, фосфоли-пиды усиливают активность всех антиоксидантов, независимо от их приро-ды.

Таким образом, рассматривая в общем виде антиоксидантные сис-темы, следует иметь в виду, что организм располагает ферментативными системами, ингибирующими ПОЛ на этапе инициации. Так, СОД инактиви-рует супероксиданионрадикал, субстратами действия глутатионпероксидазы и каталазы являются перекись водорода и гидроперекиси липидов (Дубинина Е.У., 1989; Подберезкина Н.П., Осинская Л.Ф., 1998).

Действие ферментных антиоксидантов дополняется в целостном орга-низме естественными антиоксидантами, в частности, витаминами группы Е, стероидными гормонами, серусодержащими аминокислотами, аскорбиновой кислотой, витаминами группы A, K и P, убихиноном, пептидами, производ-ными гамма-аминомасляной кислоты, фосфолипидами, продуктами метабо-лизма эйкозаноидов, а также тиолами, в частности, эрготионеином, содер-жащимся в эритроцитах печени, мозге (Сторожок Н.М., 1997; Тимофеенко Т.И., 1997; Хралова Н.Г., 1997).

Важную роль в антиоксидантной защите играют карнозин и его произ-водные. Как известно, карнозин является природным дипептидом, способ-ным метаболизироваться в организме человека и животных, обладает стаби-лизирующим эффектом в отношении pH среды, а также способностью взаи-модействия с OH, супероксиданионрадикалом и гипо-хлорид-анионом с по-следующей их инактивацией (Болдырев А.А. и соавт., 1994). Карнозин регу-лирует за счет антиоксидантных свойств поведенческие реакции (Суткова Д.А., 1994).

Касаясь особенностей функционирования ферментного звена анти-оксидантной системы следует отметить, что реакции дисмутации супер-оксиданионрадикала и разложения H2O2 экзотермичны, а катализирующие эти реакции СОД и каталаза не нуждаются в кофакторах, что делает их ак-тивность не зависящей от функционирования других клеточных структур. СОД ускоряет спонтанную реакцию в 200 раз.

Полагают, что уровень активности внутриклеточных ферментатив-ных антиоксидантных систем генетически детерминирован, причем избыточное накопление в клетках супероксидного анион-радикала или перекиси водоро-да сопровождается депрессией участков генома, ответственного за актив-ность внутриклеточных ферментативных антиоксидантных систем. У чело-века ген, кодирующий синтез СОД, локализован в 21-й хромосоме.

Обнаружено несколько изоэнзимных форм СОД, отличающихся строе-нием активного центра. У эукариотов Cu-, Zn-содержащая СОД локализуется в основном в цитозоле эритроцитов, в межмембранном пространстве мито-хондрий, в цитоплазме и ядре нервных клеток. Фермент чувствителен к циа-ниду, представляет собой металлопротеид с ММ 32000-33000, состоит из двух субъединиц, каждая из которых связывает 1 атом Cu и 1 атом Zn (Фри-дович И., 1979; Поберезкина Н.Б., Осинская Л.Ф., 1989; Калия Е.С., Санько Н.М., 1991).

Mn-СОД локализована в митохондриях печени и миокарда эукариот, вблизи анионных каналов. Для микроорганизмов характерны железосодер-жащий и марганецсодержащий изоферменты. Mn-СОД состоит из 4 субъеди-ниц с ММ 20 000 каждая, механизм действия энзима, вероятно, подобен дей-ствию Cu-, Zn-СОД-фермента, то есть металл в активном центре поперемен-но меняет свою валентность: Mn3+, Mn2+.

Супероксиддисмутазную активность могут проявлять комплексы меди с аминокислотами и пептидами, а также многие медьсодержащие белки.

Описанные выше изоферментные формы СОД являются внутри-клеточными ферментами, в межклеточной жидкости (плазма крови, лимфа, синовиальная жидкость) они разрушаются в течение 5-10 минут. В то же время обнаружена экстрацеллюлярная высокомолекулярная форма СОД (ММ 120000 Д), хорошо связывающаяся гепаринсульфатом гликокаликса эн-дотелиоцитов, локально защищает их от свободных радикалов. Экстрацел-люлярная СОД не связывается с лейкоцитами и эритроцитами, не участвует в регуляции продукции активных форм O2 гранулоцитами в процессе киллинга (Дубинина Е.Е., 1983, 1989).

СОД существенно ускоряет дисмутации супероксиданион-радикала. Однако, несмотря на высокую специфичность фермента, при определенных условиях Cu-СОД может взаимодействовать с H2O2 и выступать в качестве прооксиданта.

В последние годы были синтезированы модифицированные препараты СОД и каталазы, ассоциированные с иммуноглобулинами, сывороточным альбумином, высокомолекулярными спиртами, в частности, полиэтиленгли-колями, что обеспечивало стабильность ферментов и длительность их цирку-ляции в крови (Максименко А.В., 1993). Подобные ассоциированные формы фермента нашли применение в эксперименте при эндотоксикозе, инфаркте миокарда, региональной ишемии, ожогах кожи, а также при стрессорных и воспалительных повреждениях тканей.

Церулоплазмин или голубая феррооксидаза – гликопротеид сыворот-ки крови, образующийся в печени, катализирует реакцию 4Fe2+ + 4H+ O2 — —> 4Fe3+ + H2O, способствует окислению полиаминов, полифенолов, аскорбино-вой кислоты, возможно участвует в транспорте меди. Прямая антиоксидант-ная функция определяется супероксиддисмутазной и ферриоксидазной ак-тивностью, а непрямые антиоксидантные свойства связаны с окислением Fe2+ и аскорбината, потенциальных источников супероксидного анион-радикала. Это основной реактант острой фазы воспаления (Саламатин В.В. и соавт., 1998; Dormandy T.I., 1978).

Как указывалось, в процессе дисмутации супероксидного анион-радикала образуется H2O2, восстанавливаемая до H2O в основном каталазой и глутатионпероксидазой.

Каталаза - хромопротеид с ММ около 240 000 Д, состоит из 4 субъеди-ниц, имеющих по одной группе гема, локализуется в основном в пероксисо-мах, частично - в микросомах и в меньшей мере - в цитозоле. Полагают, что каталаза не имеет высокого сродства к H2O2 и не может эффективно обез-вреживать это соединение при низких концентрациях, имеющихся в цитозо-ле. В пероксисомах, где концентрация H2O2 высока, каталаза активно разру-шает ее.

Разложение H2O2 каталазой осуществляется в два этапа: Fe3+-каталаза + 2 H2O2 —> окисленная каталаза + H2O2 —> Fe3+-каталаза + H2O2 + O2. При этом в окисленном состоянии каталаза работает как пероксидаза. Субстрата-ми в пероксидазной реакции могут быть этанол, метанол, формиат, формаль-дегид и другие доноры водорода.

Следует отметить, что около 0,5% O2, образующегося в результате раз-ложения H2O2, возникает в возбужденном синглетном состоянии и таким об-разом в процессе разложения перекиси водорода вновь генерируются актив-ные формы O2.

Активности каталазы и СОД коррелируют между собой, что может быть связано с переключением потока электронов с одной цепи транспорта на другую. В этих условиях СОД и каталаза действуют как звенья одной сис-темы утилизации O2, размещенные в разных участках клетки.

Максимальная концентрация каталазы обнаружена в эритроцитах.

Важнейшей системой инактивации свободных радикалов являются восстановленный глутатион и комплекс ферментов – глутатионпер-оксидазы, глутатионтрансферазы и глутатионредуктазы.

Глутатион синтезируется в печени, откуда транспортируется в различ-ные органы и ткани, обеспечивает восстановление дисульфидных групп бел-ков, дигидроаскорбиновой кислоты, с участием глутатион-трансферазы обра-зует конъюгаты в печени с электрофильными соединениями и последующим выведением их с мочой.

Инактивация H2O2 в клетках обеспечивается также глутатион-пероксидазой (ГПО) , последняя является Se-содержащим ферментом, около 70% ее локализовано в цитоплазме и около 30% - в митохондриях всех кле-ток млекопитающих (Кулинский В.И., Колесниченко Л.С., 1993). Глутатион-пероксидаза - белок с ММ 84000-88000, состоит из 4 идентичных субъеди-ниц, каждая из которых включает 1 атом Se.

Глутатионпероксидаза катализирует реакцию восстановления гидропе-рекиси с помощью глутатиона, обладает широкой субстратной специфично-стью по отношению к гидроперекисям, но абсолютно специфична к глута-тиону.

Сродство глутатионпероксидазы и H2O2 выше, чем у каталазы, поэтому первая более эффективно работает при низких концентрациях субстрата, в то же время в защите клеток от окислительного стресса, вызванного высокими концентрациями H2O2, ключевая роль принадлежит каталазе. Последнее осо-бенно четко продемонстрировано на эндотелиальных клетках.

В клетках млекопитающих, кроме Se-зависимой ГПО, выявлена ГПО без Se с ММ 39000-46000, катализирующая восстановление гидро-перекисей органических соединений в том числе и полиненасыщенных жирных кислот, но ее эффективность в отношении H2O2 чрезвычайно низка.

Стресс через -адренергические рецепторы, цАМФ и протеинкиназу стимулирует активность ГПО (Кулинский В.И., Колесниченко Л.С., 1993).

Бесселеновая глутатионпероксидаза локализована в митохондриаль-ных мембранах печени, почек, сердца, в то время как селеновая - в эритроци-тах.

ГПО принадлежит активная роль в защите лизосомальных мембран от перекисного окисления (Галанкин В.З., Тихазе А.К., 1998).

ГПО элиминирует перекиси стеринов и нуклеиновых кислот, является адаптивным ферментом, активность которого регулируется продуктами ли-попероксидации и активными формами O2. Важным компонентом антиокси-дантной системы является глутатионтрансфераза, ингибирующая инициацию ПОЛ и обезвреживающая токсические метаболиты ПОЛ. Фермент активиру-ется через цАМФ. Тканевая ГПО, по мнению ряда авторов, представляет со-бой изоформу глутатионтрансферазы (Кулинский В.И., Колесниченко Л.С., 1990).

Важную роль в инактивации свободных радикалов отводят внутри-клеточным и внеклеточным ловушкам, обеспечивающим обрыв цепи свобод-норадикального окисления.

Эффективными «перехватчиками» радикалов являются фенольные ан-тиоксиданты, в частности, простые фенолы, нафтолы и оксипроиз-водные других ароматических соединений. В настоящее время выделено несколько тысяч фенольных соединений, среди которых выраженным антиоксидантным эффектом обладают витамины Е и К, убихиноны, триптофан и фенилаланин, а также большинство растительных и животных пигментов, в частности, ка-ротиноиды, флавоноиды, фенокарбоксильные кислоты.

Большое биологическое значение для человека имеет антиоксидант - -токоферол. Он жирорастворим, его основная локализация – гидрофобный слой биологических мембран; инактивирует главным образом радикалы жирных кислот.

Фенольные антиоксиданты (ликопен, каротины, билирубин и -то-коферол) служат ингибиторами супероксидного анион-радикала, синглетного кислорода, гидроксильного радикала.

Около 50% клеточного токоферола локализовано в ядре, 30% - в мем-бранах митохондрий, 20% - в микросомальной мембране.

Недостаток витамина Е способствует деструкции мембран и экскреции креатина с мочой. Витамин Е – мощный антимутаген, в физиологических концентрациях является регулятором тканевого дыхания, а антиоксидантные свойства его проявляются при 10-15-кратном повышении этих доз. Кроме -токоферола, в клетках содержатся водорастворимые антиоксиданты, в том числе аскорбат, которые реагируют с более широким спектром свободных радикалов и поддерживают содержание токоферола.

Аскорбиновая кислота может выступать в качестве донора и акцептора ионов водорода благодаря наличию в структуре двух фенольных групп, ее антиоксидантные свойства характеризуются широким спектром инактиви-рующего действия на различные свободные радикалы. Аскорбиновая кислота превосходит другие антиоксиданты плазмы крови в защите липидов от пере-кисного окисления.

Обращает на себя внимание тот факт, что в присутствии ионов Fe или Cu аскорбиновая кислота становится мощным прооксидантом.

Антиоксидантные свойства аскорбиновой кислоты связаны с ее окси-редуктазными переходами. Теряя атом водорода, аскорбиновая кислота пре-вращается в радикал - монодегидроаскорбиновую кислоту, проявляющую прооксидантный эффект, потеря еще одного атома H+ приводит к образова-нию дегидроаскорбиновой кислоты. При этом участвует фермент, содержа-щий медь - аскорбатоксидаза.

Известно, что аскорбиновая кислота восстанавливает продукт окисле-ния токоферола - -токофероксид в -токоферол. Витамины P и C также вос-станавливаются. Аскорбиновая кислота более стабильна в присутствии ме-тилметионина, обеспечивающего не только восстановление дегидроаскорби-новой кислоты, но и полноценность функционирования глутатионового звена антиоксидантной системы (Денисов Л.Н., Лобарева Л.С., Якушева Е.О., 1994; Солдатова М.С., Воскресенский О.Н., 1994; Имельбаева Э.А., Теплова С.Н., Камилов Ф.Х., 1997).

Важная роль в антиоксидантной защите организма отводится SH-содержащим соединениями к числу которых относятся помимо выше-описанного трипептида - глутатиона цистеин, цистин и метионин.

SH-соединениям отводится ведущая роль в защите клеток от радикала OH. В связи с коротким периодом жизни и радиусом диффузии OH. в биоло-гических системах указанное соединение не подвергается ферментативной инактивации и в то же время может оказать сильное цитотоксическое и мута-генное действие, последние определяет значимость SH-содержащих соеди-нений – активных перехватчиков OH.-радикалов.

При различных стрессорных воздействиях, под влиянием эффектов токсических и ферментативных факторов патогенности различных инфекци-онных возбудителей, в частности, чумы, анаэробной газовой инфекции, стрепто-стафилококковой групп бактерий, наблюдается обратимая окисли-тельная модификация SH-групп, приводящая к увеличению дисульфидных групп, что является типовой неспецифической реакцией организма на дейст-вие экстремального раздражителя.

Однако изменение соотношения восстановленных и окисленных тиог-рупп в сторону преобладания последних изменяет состояние проницаемости клеточных мембран, их адгезивные свойства, приводит к резкому угнетению функции серусодержащих ферментов или коферментов (липоевой кислоты, коэнзима А, глутатиона), нарушению работы тиоловых металлопротеидов (цитохром P-450), ряда гормональных рецепторов и факторов транскрипции.

Из биофлавоноидов наиболее изучены антиоксидантные свойства кверцитина и рутина, способных за счет ортогидроксилов фенольного кольца С быть донорами водорода. Биофлавоноиды гасят супероксидный анион-радикал, проявляют антиатерогенное, гипохолестеринемическое действие.

Резюмируя вышеизложенное в целом, следует заключить, что в целост-ном макроорганизме находятся в динамическом равновесии системы генера-ции свободных радикалов, в частности, свободных форм кислорода, и анти-радикальной, антиоксидантной защиты.

Нарушение этого взаимодействия нередко приводит к дестабилизации биологических мембран, активации процессов липоперокси-дации, расстрой-ствам гемостаза, фибринолиза, активации каликреин-кининовой системы, системы комплемента, нарушению васкуляризации, оксигенации и трофики тканей, потенцированию специфических цитопатогенных эффектов воздей-ствия бактериальных токсинов. Антиоксиданты блокируют активацию про-тоонкогенов, нормализуют иммунный статус (Костюк Г.В. и соавт., 1997; Ру-син Е.В. и соавт., 1997).

Ослабление антиоксидантной защиты клеток может быть вызвано не-достаточным поступлением в организм неферментных антиоксидан-тов, в частности, -токоферола. Недостаточное поступление в организм селена мо-жет быть одной из причин нарушения активности селензависимой глутати-онпероксидазы, дефицит Cu2+ и Zn2+ резко снижают активность СОД и резко повышают чувствительность к оксидантному повреждению.

Следует отметить, что изменения активности антиоксидантных фер-ментов зависят от интенсивности образования активных форм кислорода (АФК): в случае умеренного возрастания АФК возникает, как правило акти-вация ферментного звена антиоксидантной системы, при чрезмерном возрас-тании уровня свободных радикалов нередко происходит, подавление фер-ментативного звена радикальной защиты клеток.

Как известно, в условиях окислительного стресса, развивающегося при гипоксии, ишемии, гипероксии, действии стрессорных раздражителей бакте-риальной природы – эндо-, экзотоксинов, ферментов и токсинов бактерий, ферментативная защита оказывает менее эффективное по сравнению с про-текторным действием низкомолекулярных антиоксидантов.

Последнее обусловлено быстрой инактивацией конститутивного пула ферментов антиоксидантной системы свободными радикалами и значитель-ным временем, необходимым для индукции их синтеза. В связи с этим по-вышается значимость низкомолекулярных антиоксидантов, что обусловлено их избыточным содержанием в клетках и биологических жидкостях, а также достаточно высокой миграционной способностью.

Однако при чрезмерном образовании инициаторов свободно-радикального окисления может истощиться пул и неферментных анти-оксидантов, которые, выполнив роль ловушки свободных радикалов, пре-вращаются в неактивные димерные и другие формы.

предыдущий раздел | содержание| следующий раздел

Поиск в журналах РАЕ:

Авторы Публикации