В таблицах 31 и 32 представлены некоторые реактивные виды кислорода в живых организмах и источники свободных радикалов.
Таблица 31
| Нерадикалы | Свободные радикалы |
| Пероксид водорода Н2О2 | Супероксид радикал О2 |
| Молекулярный кислород О2 | Липид пероксил радикал LОО* |
| Гипохлорная кислота НОCl | Гидроксил радикал ОН* |
| Озон О3 | Нитратоксид радикал NО* |
Таблица 32
Некоторые источники свободных радикалов
| Внутренние источники | Внешние источники |
| Митохондрия | Курение |
| Фагоциты | Ионизирующее излучение |
| Ксантиноксидаза (ЕС 1.1.3.22) | Ультрафиолетовое облучение |
| Реакции с Fe и др. металлами переменной валентности | Загрязнение окружающей среды |
| Цикл арахидоновой кислоты | Некоторые лекарства |
| Пероксисомы | реагенты и промышленные растворители |
| Физическая нагрузка | |
| Воспаление | |
| Ишемия и реперфузия |
2.2.2 Активные формы кислорода в реакциях повреждения биомолекул
Молекулярный кислород сам по себе обычно не вступает в неконтролируемые химические реакции внутри организма, для его активации нужны ферментативные процессы – главные ферменты метаболизма кислорода у млекопитающих: оксидазы и оксигеназы. Но в каталитических центрах этих ферментов кислород испытывает превращения до конечных соединений, не выделяясь в среду и не подвергая опасности органические макромолекулы клетки, повреждающими же агентами являются активные формы кислорода (АФК), образующиеся в ряде физико-химических процессов в организме. Главные активные формы кислорода:
· супероксидные радикалы (О2ˉ),
· перекись водорода (Н2О2),
· гидроксильные (свободные) радикалы (ОНˉ, НО2ˉ),
· синглетные формы кислорода (1О2),
· ионы НО2ˉ.
Основные механизмы появления АФК в организме связаны обычно с нарушениями функционирования электроннотранспортных цепей митохондрий или микросом, а также при изменении свойств дегидрогеназ. Особняком стоит нормальный процесс формирования АФК фагоцитами в ходе стимуляции неспецифической защиты организма.
Синглетный кислород образуется в реакциях фотоокисления в присутствии так называемых фотосенсибилизаторов: флавины, гематопорфирин, хлорофилл и др., а также при дисмутации супероксидных радикалов. Синглетный кислород агрессивен в отношении биосубстратов, в особенности в отношении молекул с двойной связью; конечным итогом таких реакций обычно является образование гидроперекисей органических молекул – один из важнейших в процессах перекисного окисления ненасыщенных липидов в биомембранах.
В присутствии металлов переменной валентности эти продукты запускают цепные реакции окислительной деградации биомолекул. Главным защитным механизмом такого процесса является бета-каротин, переводящий синглетный кислород в триплетный, однако, обычная вода и токоферол также способны вызывать такой процесс инактивации синглетного кислорода. В клинической практике синглетный кислород участвует в кожных проявлениях некоторых генетических заболеваний – порфирий, а также в процессах эритемы при ультрафиолетовом облучении кожи при приеме лекарств, обладающих фотосенсибилизирующим действием.
Во всех аэробных клетках в процессе присоединения одного электрона к молекуле кислорода образуются супероксидный анион-радикал - О2- и его протонированная форма – гидроперекисный радикал - НО2ˉ; оба они порождают ряд других активных форм кислорода. Образование этих АФК наиболее существенно вблизи цепей переноса электронов – дыхательная цепь, микросомы и, в растительных клетках, хлоропласты.
Эти АФК играют также важную роль в защитных - неспецифических иммунных механизмах организма: они выделяются в ходе активации при инфекционных и иных воспалительных процессов фагоцитирующих клеток (нейтрофилы, макрофаги, моноциты, эозинофилы). Супероксидный радикал может прямо инактивировать адреналин, аскорбиновую кислоту, а более активный гидроперексиный радикал – реагирует с линолевой, линоленовой, арахидоновой кислотами, окисляя их до гидроперекисей. Образованию гидроперекисного радикала способствует закисление среды, он также свободно проникает через биомембраны, так как не несет заряда.
Гидроперекиси липидов являются весьма активными соединениями и обладают высокой биологической агрессивностью. Для протекания цепного окисления липидов в биологических мембранах совершенно необходимы переходные металлы, в частности, ионы железа. Главным механизмом защиты организма от данных форм АФК является фермент супероксиддисмутаза (СОД), активность ее обычно достаточна, чтобы инактивировать их в месте образования, не допуская диффузии в среде макромолекул ткани.
Дисмутация супероксидных анион-радикалов под действием СОД в биологических тканях ведет к образованию перекиси водорода, способной легко проникать через мембраны клеток. Перекись водорода обнаруживается при фагоцитозе, при работе митохондрий и микросом. В присутствии ионов переходных металлов (например Fe2+) перекись водорода может давать высоко активный гидроксильный радикал (ОНˉ). Этому процессу препятствуют главные высоко активные ферменты антиоксидантной защиты организма: каталаза и глутатион-пероксидаза.
Высокой реакционной способностью обладает гидроксильный радикал (ОНˉ), образующийся из перекиси водорода в присутствии ионов переходных металлов. Высокая реакционная способность определяет преимущественно местное воздействие этой форм АФК. Прямое повреждение ДНК при этом характеризуется разрывом цепи; с другими биомолекулами ОНˉ образует вторичные свободные радикалы, в том числе перексиные соединения липидов.
Главные типы повреждений биомолекул ОНˉ: отрыв атома водорода (таким образом повреждается лецитин – главный компонент биологических мембран, а также сахара в составе нуклеозидов ДНК); присоединение к молекулам по двойным связям (взаимодействие с пуринами и пиримидинами ДНК и РНК, в том числе с образованием вторичных радикалов); перенос электронов также является патогенным механизмом действия ОНˉ. В образовании гидроксильного радикала важное значение имеют ионы металлов с переменной валентностью, в первую очередь ионы железа.
Ионы железа входят в большом количестве в состав организма (гемоглобин, миоглобин и пр.); в крови они находятся в связанной форме с трансферрином.
Снижение количества железо-переносящих белков и повышение свободного железа крови может вести к стимулированию формирования свободных радикалов; своевременная диагностика и профилактика такого состояния является важным моментом программ диагностики и профилактики старения, в частности, американской ассоциации Life Extension Foundation.
Отмечено, однако, формирование гидроксильного радикала и под действием связанного железа – лактоферрина, а также при действии гемоглобина на перекись водорода. Использование хелатосвязывающих агентов дает лечебный эффект при состояниях, при которых предполагается участие гидроксильного радикала в патогенезе заболевания: связывающий ионы железа десферриоксиамин эффективен при воспалительных процессах в легких и при аутоиммунных процессах.
АФК могут образовываться также и при многих иных процессах в организме. Так, например, формирование АФК обычно сопровождает процесс инактивирования в организме ксенобиотиков, потенцируя их повреждающий эффект.
2.2.3 Антиоксиданстная зацита организма человека
Антиоксидантная защита состоит из ферментов, водо- и жирорастворимых веществ.
· Линия ферментативной защиты включает глутатионпероксидазы, СОД (супероксиддисмутазу) и каталазу. СОД – это семейство антиоксидантных ферментов, катализирующих разложение О2на Н2О2и О2. Глутатионпероксидаза содержит селен и восстанавливает гидропероксид, образующийся при окислении жира. Каталаза – это специфический фермент, катализатор расщепления Н2О2.
· Вторая линия защиты состоит из низкомолекулярных соединений, например витаминов Е и С, каротиноидов и так называемых непищевых антиоксидантов, например, фенольных и полифенольных соединений.
Супероксиддисмутаза. Супероксиддисмутаза является важнейшим элементом антиоксидантной защиты организма. Это фермент из двух субъединиц с общей молекулярной массой 32 кДа, содержащий по одному атому меди и цинка (существует также марганец-содержащая СОД, обнаруженная в печени крысы и человека. Фермент ускоряет распад О2- на 4 порядка. Источником О2- обычно является система феназинметасульфат + НАД·Н или ксантин + ксантиноксидаза.
Вторым эшелоном защиты организма от АФК являются пероксидаза и каталаза.
Каталаза. Каталаза расщепляет перекись водорода, до которой дисмутирует супероксидный радикал, до молекул воды и молекулярного кислорода. В клетках каталаза в основном сосредоточена в пероксисомах, в которых содержатся и ферменты, продуцирующие перекись водорода, необходимую в ходе ряда процессов жизнедеятельности организма, в частности, в процессах неспецифической иммунной защиты.
Пероксидаза. Пероксидаза, в особенности глутатион-пероксидаза, широко распространена в клетках животных и растений. Глутатион-пероксидаза состоит из 4 субъединиц в каждой из которых содержится по молекуле селена. В клектах этот фермент располагается в цитозоле и матриксе митохондрий.