Участие аналогов убихинона в переносе электронов в дыхательной цепи митохондрий (стр. 9 из 12)
Самым распространенным патологическим состоянием, приводящим к значительной вспышке продукции АФК, является гипоксия и последующая реоксигенация. В ходе продолжительной гипоксии происходит множество изменений в активности ряда клеточных ферментов, истощение и повреждение антиоксидантных защитных систем и быстрое восстановление компонентов дыхательной цепи за счет обращения АТФ-синтазной реакции, используемой для создания протонного градиента в условиях недостатка кислорода. В результате всех этих изменений при последующей реоксигенации утечка электронов с комплексов дыхательной цепи и генерация супероксида значительно увеличивается.
В условиях нормоксии повышенная генерация активных форм кислорода, приводящая к окислительному стрессу, наблюдается обычно только в очагах воспаления. В данном случае кислородный взрыв обусловлен деятельностью НАДФН-оксидазных систем макрофагов и является жестко регулируемым, оказывая деструктивное влияние только на клетки, на которые направлена иммунная реакция.
Поскольку образование АФК в клетках любых аэробных организмов происходит непрерывно, то клетках должны быть и защитная система против их пагубного влияния.
Защита клетки от избытка кислородных радикалов и снижение вызванных ими окислительных повреждений осуществляется двумя принципиально разными механизмами:
1. снижение образования первичных АФК (супероксида) путем уменьшения кислорода в клетке или его более быстрого использования дыхательной цепью ввиду снятия ее контроля ∆μН+
2. функционированием антиоксидантной системы, которая включает антиоксидантные ферменты, низкомолекулярные соединения, образующие редокс-буфер, витамины, альбумины, свободные жирные кислоты и комплексоны ионов металлов (рис. 30).
К нейтрализующим АФК ферментам относятся супероксиддисмутазы (СОД), каталаза и пероксидазы. СОД катализирует дисмутацию двух молекул супероксида с образованием перекиси водорода и O2. Изоформы этого фермента присутствуют во всех клеточных компартментах, где возможно образование супероксида, нейтрализуя O2.-. Образующаяся при дисмутации супероксида перекись нейтрализуется каталазой или глутатион- и тиоредоксин- пероксидазами в пероксисомах.
Внутриклеточный редокс-статус обеспечивается системой тиолов, в первую оче-редь глутатиона (GSH) и тиоредоксина (TRX), которые создают буферную систему для поддержания более восстановленных по сравнению с внеклеточной средой условий.
Глутатион (GSH) и тиоредоксин (TRX) являются важнейшими антиоксидантами в клетке. Глутатион участвует в поддержании редокс-статуса за счет нейтрализации перекиси глутатион-пероксидазой.
Образовавшейся НАДФН+Н+ поставляет Н+ для регенерации восстановленного глутатиона (GSH) из глутатион-дисульфида (GSSG) с помощью глутатион-редуктазы.
В условиях окислительного стресса соотношение GSН/GSSG быстро падает из-за окисления глутатиона, но быстро восстанавливается до исходного уровня. При этом в организме в случае исчерпания GSH в какой-либо ткани, обеспечение может происходить за счет выброса его в кровь из депо (печень) [49]. Тиоредоксин действует как восстановитель дисульфидных связей в белках и донор электронов для TRX-пероксидазы, при это не оказывая влияния на продукцию АФК или количество восстановленного глутатиона. Восстанавливается тиоредоксин с помощью тиоредоксин-редуктазы и НАДФН [50].
Когда митохондрии перестают справляться с проблемой детоксикации АФК, происходит разрушение митохондриальных структур от мембраны до мтДНК. Из АФК только ОН- вызывает повреждения ДНК (окисление оснований, их модификации, повреждение хромосом). Подобные мутации могут привести к патологии и гибели клеток или их злокачественному перерождению (раки, лейкозы).
АФК может повреждать мембраны митохондрий. Так, на первый взгляд не очень опасная молекула пероксида водорода может генерировать гидроксил-радикал в присутствии двухвалентного железа или превращаться в гипохлорит-анион ОСl–ферментом миелопероксидазой. Как гипохлорит-анион, так и гидроксил-радикал являются сильными окислителями. Они способны модифицировать белки, нуклеиновые кислоты, индуцировать перекисное окисление липидов (от которого наиболее сильно «страдают» полиненасыщенные жирными кислотами, входящими в состав мембранных липидов). Так, при перекисном окисление липидов кислородный радикал, чаще всего это бывает гидроксил-радикал, который хорошо проникает в мембраны, будучи незаряженным, отнимает атом водорода от молекулы жирной кислоты с образованием перекисного радикала жирной кислоты. Этот радикал запускает цепную реакцию, взаимодействуя с другой жирной кислотой, в ходе которой образуются перекись кислоты и новый радикал:
LH + HO . → L . + H2O
L . + O2 → LOO .
LOO . + L′ H → LOOH + L′ . , и так далее.
Таким образом, затрагивается значительное количество клеточных липидов, и повреждаются мембраны. Кроме того, может происходить и амплификация окислительного повреждения за счет распада гидроперекисей на два новых радикала, каждый из которых запускает свою цепь.
Процессы, протекающие до момента образования гипохлорит-аниона или гидроксил-радикала, локализованы в цитоплазме и контролируются цитоплазматическими ферментами или природными водорастворимыми антиоксидантами. Например, таурин способен связывать гипохлорит-анион в форме хлораминового комплекса, дипептид карнозин и его производные нейтрализуют гидроксил-радикал, а такие соединения, как белое ферритин, связывают железо. Большое значение для предотвращения перекисного окисления липидов, инициируемое в гидрофобном пространстве клеточных мембран, и уничтожения радикалов жирных кислот имеет гидрофобный локализованный в мембранах α-токоферол (витамин Е). Его высокая концентрация в биологических мембранах препятствует их повреждению свободными радикалами. Витамин Е обрывает цепные реакции образования липидных пероксилов, превращаясь в радикал, который регенерирует как с помощью активных водорастворимых восстановителей типа аскорбата и глутатиона, так и с помощью гидрофобного убихинола (см. ниже).
АФК бывают трех типов (Ю.А. Владимиров):
- Первичные (индуцирующие) - образуются при окислении некоторых молекул; к ним относятся оксид азота NO и супероксид О2 -; обладают регуляторным или умеренным антимикробным действием.
- Вторичные - образуются вследствие атаки супероксида других молекул ;к ним относятся гидроксильный радикал ОН*, липоксильный радикал LO* и пероксинитрит; обладают сильным токсическим действием вследствие своей способности необратимо повреждать мембранные липиды, а также молекулы ДНК, углеводов и белков
- Третичные - образуются вследствие соединения вторичных радикалов с молекулами антиоксидантов и других легко окисляющихся соединений; их роль может быть различной
В рамках общей концепции окислительного стресса большое значение имеет феномен АФК-индуцированного образования АФК [52]. При этом небольшие количества индуцирующих АФК приводят к падению трансмембранного потенциала и активная генерация вторичных АФК, что приводит к развитию «окислительного взрыва». Предположительно в ходе АФК-индуцированного образования АФК происходит окисление неких белков и регуляторных тиолов, которые изменяют редокс-статус клетки, инициируя неспецифическую проницаемость мембран. Хоть неспецифическую проницаемость и носит обратимый характер, но все же приводит к нарушению функционирования электрон-транспортной цепи, изменению свойств мембран и, в конечном счете, к “окислительному взрыву”.
При повреждении комплекса I дыхательной цепи происходит прямое окисление белков, разрушение железосерных кластеров, нитрозилирование и глутатионилирование, вследствие чего сильно снижается его активность, что происходит, например, при ишемической болезни сердца (и, как следствия, реперфузии).
При повреждении белков наиболее уязвимыми являются следующие аминокислоты: цистеин, метионин, тирозин, триптофан, фенилаланин, валин, лейцин, гистидин, глутамил, пролин, треонон, аргинин, лизин (табл. 3).
Таблица 3: Модификации аминокислот.
| аминокислота | Модифицированный продукт |
| Цистеин | Cys-Cys, HNE-Cys |
| Метионин | Метионин сульфоксид |
| Тирозин | дитирозин, нитротирозин, хлоротирозин, dopa |
| Триптофан | Гидрокси- и нитро-триптофан, кинуренин |
| Фенилаланин | гидроксифенилаланин |
| Валин, лейцин | Гидро(перо)ксиды |
| Гистидин | 2-оксогистидин, аспарагин, аспартат, HNE-His |
| Глутамил | щавеливая кислота, пировиноградная кислота |
| Пролин | гидроксипролин, пирролидон, глутаминовый семиальдегид |
| Треонин | 2-Amino-3-ketobutyric acid |
| Аргинин | глутаминовый семиальдегид, хлорамин |
| Лизин | α-Aminoadipic семиальдегид, хлорамины, MDA-Lys, HNE-Lys, акролеин-Lys, карбоксиметиллизин, pHA-Lys |
АФК разрушают белки, разделяя их на меньшии пептиды (рис.30). Это происходит следующим образом.