Научный журнал

Успехи современного естествознания

ISSN 1681-7494

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 0,775

• Авторы
• Резюме
• Файлы

Чеснокова Н.П. Понукалина Е.В. Бизенкова М.Н.

В статье представлены различные классификации систем антиоксидантной защиты клеток, в частности, проанализирована возможность 5 уровней защиты клеток от свободнорадикального окисления в интерпретации разных авторов. Дана классификация антиоксидантов с точки зрения их химической природы, молекулярной массы, гидрофильности и гидрофобности, особенностей молекулярно - клеточных механизмов инактивации свободных радикалов.

Статья в формате PDF

148 KB

Значительная часть кислорода подвергается в клетках двух - и тетраэлектронному восстановлению на внутренней мембране митохондрий при участии систем цитохром и цитохромоксидазы. Источником активных форм кислорода могут быть реакции, катализируемые цитохромом Р-450 в микросомальных фракциях клеток, особенно в гепатоцитах. В цитозоле клеток супероксидный анион-радикал генерирует от ксантиноксидазы [16,27,28,29,30].

Среди неферментативных путей образования активных форм кислорода (АФК) следует отметить аутоокисление гидрохинонов, лейкофлавинов, катехоламинов, тиолов. В инициации свободнорадикального окисления могут участвовать катион-радикалы молибдена, марганца, кобальта, железосерные кластеры [6,8,14,17].

Важное место по своей биологической значимости среди первичных радикалов отводится нитроксиду (NO^•), образуемому с L-аргинина при участии конституциональной NO-синтазы 3-го типа в эндотелии, конституциональной NO-синтазы 1-го типа в структурах центральной и периферической нервной системы, а также индуцибельной NO-синтазы эндотелия и макрофагов [18,19,25,26]. Последняя экспрессируется лишь в условиях патологии под влиянием таких биологически активных веществ и гормонов, как адреналин, норадреналин, ацетилхолин, гистамин, АДФ, брадикинин, эндотелин и др. [22].

 Таким образом, постоянно образующиеся в нашем организме первичные радикалы: супероксид (^•ОО^-), нитроксид (^•NO), убихинон (^•Q), а также вторичные радикалы - гидроксильный радикал (^•ОН) и липидные радикалы являются не только необходимыми участниками многих внутриклеточных метаболических реакций в условиях нормы, но и требуют постоянной стабилизации уровня этих высокореактогенных окислителей за счет адекватной активации систем антирадикальной, антиоксидантной защиты организма [3,4,11].

Антиоксиданты - соединения, способные уменьшать интенсивность свободнорадикального окисления, нейтрализовать свободные радикалы за счет обмена своего атома водорода на кислород свободных радикалов. Антиоксиданты могут быть природными и синтетическими, имеют подвижный атом водорода в связи с наличием в молекуле нестойкой связи с углеродом (С - Н) или серой (S - Н). В результате взаимодействия со свободными радикалами возникают малоактивные радикалы самого антиоксиданта, не способные к продолжению цепи [1, 11, 13, 31, 33, 34, 35, 38, 39].

До настоящего момента нет единой классификации систем антиоксидантной защиты клеток. Высказывается точка зрения о нескольких уровнях защиты клеток макроорганизма от активных форм кислорода [23], которые могут быть представлены следующим образом:

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

2-й уровень - обеспечивается в процессе четырехэлектронного восстановления основной массы внутриклеточного кислорода при участии цитохромоксидазы без освобождения свободных радикалов;

3-й уровень - ферментативное удаление образовавшихся супероксидного анион-радикала и перекиси водорода;

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

5-й уровень - ферментативное восстановление гидроперекисей полиненасыщенных жирных кислот [11,21].

Число эндогенных соединений, относимых к антиоксидантам, постоянно возрастает.

Некоторыми авторами предпринята попытка классификации антиоксидантов с точки зрения их ММ на 2 группы:

I группа. Высокомолекулярные соединения - ферменты антиоксидантной защиты, а также белки, способные связывать ионы Fe и Cu, являющиеся катализаторами свободнорадикальных процессов. Антиоксидантные ферменты (супероксиддисмутаза (СОД), церулоплазмин, каталаза, глутатионзависимые ферменты) обеспечивают комплексную антирадикальную защиту биополимеров [5,8].

Для ферментативных антиоксидантов характерны высокая специфичность, строго определенная органная и клеточная локализация, а также использование в качестве катализаторов металлов Cu, Fe, Mn, Zn, Se [10,20].

К числу белков, обладающих способностью связывать металлы с переменной валентностью и соответственно обладающих антиоксидантными свойствами, относят альбумины крови, трансферрин, ферритин, лактоферрин. Многие из них весьма эффективны в ингибировании свободнорадикальных процессов, но слабо проникают через мембраны и тканевые барьеры.

II группа. Низкомолекулярные антиоксиданты: некоторые аминокислоты, полиамины, мочевина, мочевая кислота, глутатион, аскорбиновая кислота, билирубин, a-токоферол, витамины группы A, K, P [12, 32].

При этом можно говорить о своеобразных антиоксидантных цепях переноса электронов, эффективность функционирования которых определяется работой всех компонентов.

В настоящее время представлена и несколько иная систематизация уровней защиты биосистем от повреждающего воздействия свободных радикалов [7].

Первая линия защиты - ферменты антиоксидантной системы, ингибирующие инициацию перекисного окисления липидов и предотвращающие окислительную деструкцию нелипидных компонентов;

Вторая линия защиты представлена низкомолекулярными антиоксидантами;

Третья линия защиты - ферментами, метаболизирующими конечные продукты перекисного окисления липидов (альдегидов, эпоксидов, алкенов, алкоголя). К этим ферментам защиты могут быть отнесены эпоксидгидролазы, альдегидредуктазы, цитохром Р-450 [6,16].

Авторы полагают, что можно выделить и четвертую линию защиты, обеспечивающую репаративную регенерацию поврежденных молекул, в частности восстановление дисульфидных связей белков, регенерацию антиоксидантов.

К пятой линии защиты они относят систему ингибирования перекисных и свободнорадикальных процессов, включающую циклические нуклеотиды, простагландины, лейкотриены.

В качестве линии антиоксидантной защиты рекомендуют выделить и пространственный фактор, определяющий пространственную координацию внутриклеточных кислород- транспортных процессов и метаболизм активированных форм кислорода [6,7]. При чем антиоксидантный контроль в электрон- транспортных системах обеспечивается за счет плотной и упорядоченной упаковки мембранных структур.

Как известно, электронный транспорт локализован в гидрофильных зонах, а ненасыщенные жирные кислоты - в гидрофобных участках мембран. В то же время «упаковку» фосфолипидов обеспечивают холестерин, альфатокоферол, липид-белковое взаимодействие. На субклеточном уровне пространственный фактор реализуется за счет сближения прооксидантных и антиоксидантных компонентов и систем. Одним из примеров реализации структурного и пространственного принципов организации антиоксидантной защиты клеток является наличие пероксисом, включающих оксидазы и каталазы [1,29,30,37].

Таким образом, рассматривая в общем виде антиоксидантные системы, следует иметь в виду, что организм располагает ферментативными системами, ингибирующими ПОЛ на этапе инициации. Так, СОД инактивирует супероксид анион - радикал, субстратами действия глутатионпероксидазы и каталазы являются перекись водорода и гидроперекиси липидов [9,24].

Супероксиддисмутазы находятся во всех кислород-потребляющих клетках, катализируют реакцию дисмутазы супероксидного анион-радикала, скорость реакции чрезвычайно высока и лимитируется скоростью диффузии О₂^•-. В организме имеется три формы СОД - медь, цинк, и магний - содержащие формы. Каталитический цикл этих ферментов включает восстановление и окисление иона металла на активном центре фермента. СОД осуществляет инактивацию радикалов, возникающих в процессе Окислительно-восстановительных реакций в митохондриях или при воздействии металлов с переменной валентностью, ионизирующего, ультрафиолетового излучения, ультразвука, гипербарической оксигенации [11].

Супероксиддисмутазной активностью обладает и внеклеточный медьсодержащий белок - церулоплазмин, обеспечивающий нейтрализацию свободных радикалов, образуемых в очаге воспаления, а также в макрофагах и нейтрофилах в процессе фагоцитоза при стрессе, аллергии, гипоксии и ишемии различного генеза. Церулоплазмин окисляет и инактивирует биогенные амины, в частности серотонин, ксенихоламин.

Другой внутриклеточный фермент первой линии антиоксидантной защиты - каталаза предотвращает накопление в клетке перекиси водорода, образуемой при аэробном окислении флавопротеидов и из О₂^•-:

Н₂О₂ + Н₂О₂ → 2 Н₂О + О₂

Каталаза является высокоактивным ферментом, не требующим энергии для активации. Снижение активности каталазы возникает при избытке метионина, цистина, меди, цинка. Инактивация перекиси водорода возможна и при участии пероксидаз, обнаруживаемых в печени, почках, нейтрофильных лейкоцитах [14]:

Н₂О₂ + Н₂О₂ → 2 Н₂О₂ + RО₂

Самым распространенным соединением в тканях, содержащим значительное количество сульфгидрильных групп, является глутатион (гамма-глутамил-цистеинглицин). В роли восстановителя в указанном трипептиде выступает тиольная группа цистеинового остатка. Глутатион обеспечивает инактивацию перекиси водорода и гидроперекисей липидов, служит коферментом при восстановлении в нижних дыхательных путях метгемоглобина, нейтрализует озон и NO [11,14].

Антиоксидантная и антирадикальная защита клеток обеспечивается глутатионпеоксидазой - селенсодержащим ферментом. Активность глутатионпероксидазы усиливается витаминами группы С и А, которые способствуют усвоению селена, его транспорту и утилизации. Глутатионпероксидаза в комплексе с восстановленным глутатионом превращает липоперекиси в менее токсичные оксикислоты, тем самым, предотвращая свободнорадикальную дезорганизацию клетки [14].

Действие ферментных антиоксидантов дополняется в целостном организме естественными антиоксидантами, в частности, витаминами группы Е, стероидными гормонами, серосодержащими аминокислотами, аскорбиновой кислотой, витаминами группы A, K и P, убихиноном, пептидами, производными γ - аминомасляной кислоты, фосфолипидами, продуктами метаболизма эйкозаноидов, а также тиолами, в частности, эрготионеином, содержащимся в эритроцитах печени и мозге.

Важную роль в антиоксидантной защите играют карнозин и его производные. Как известно, карнозин является природным дипептидом, способным метаболизироваться в организме человека и животных, обладает стабилизирующим эффектом в отношении pH среды, а также способностью взаимодействия с гидроксильным радикалом, супероксид анион - радикалом и гипохлорид-анионом с последующей их инактивацией [2]. Карнозин регулирует за счет антиоксидантных свойств поведенческие реакции. Установлено, что комбинация липидного антиоксиданта (α-токоферола) и водорастворимого (карнозина) обладает синергетическим эффектом торможения ПОЛ. Очевиден и тот факт, что липидный антиоксидант (витамин К3) в присутствии восстановленного глутатиона становиться источником генерации супероксидного аниона [6]. Таким образом, свойства липидных антиоксидантов определяются биохимическим окружением карнозина, и в случае отсутствия системы регенерации, возможно появления его прооксидантных эффектов [13,17].

Образующиеся в организме свободные радикалы антиоксидантов малоактивны и выводятся из организма в виде продуктов взаимодействия с другими антиоксидантами - токоферолами, хинонами, витаминами группы К, серосодержащими соединениями.

В зависимости от особенностей структуры различают жирорастворимые биоантиоксиданты (фосфолипиды, токоферолы, витамин А, каротиноиды, убихинон, витамины группы К, стероидные гормоны), а также водорастворимые. Группа водорастворимых антиоксидантов включает аскорбиновую, лимонную, никотиновую кислоты; серосодержащие соединения - цистеин, гомоцистеин, липоевую и бензойную кислоты, церулоплазмин; фенольные соединения - полифены, флавоноиды, трансферрин, лактоферрин, альбумин, мочевину и мочевую кислоту.

Указанные водорастворимые антиоксиданты проявляют свои эффекты в цитозоле клеток, межклеточной жидкости, плазме, крови и лимфе. Жирорастворимые биоантиоксиданты защищают от свободнорадикальной дезорганизации биологические мембраны [7,11,16,31].

Среди жирорастворимых витаминов важная роль отводится a-токоферолу, локализующемуся в значительных количествах на внутренней мембране митохондрий [36]. Витамин Е поддерживает целостность митохондриальных, лизосомальных, цитоплазматических мембран, предохраняет их от раздражающего действия процессов липопероксидации.

Витамин А участвует в окислительно-восстановительных реакциях благодаря наличию двойных связей в молекуле, тормозит превращение сульфгидрильных групп в дисульфиды, влияет на процессы клеточной дифференцировки, пролиферации, репродуктивные процессы [7,11].

Наиболее активным водорастворимым антиоксидантом является аскорбиновая кислота, способная формировать окислительно - восстановительную систему в месте с дегидроаскорбиновой кислотой. Аскорбиновая кислота стимулирует активность системы цитохром, в частности цитохрома Р-450, процессы фагоцитоза, усиливает антиоксидантные свойства b-каротина и токоферола, активирует пролиферативную активность лимфоидной ткани и стимулирует иммунные реакции [11,37].

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Богач П.Г., Курский М.Д., Кучеренко Н.Е., Рыбальченко В.К. Структура и функции биологических мембран. - К., Вища школа, 1981. - 336 с.
2. Болдырев А.А., Стволинский С.Л., Рясина Г.В. и др. //Бюл. эксперим. биол. и мед. - 1994. - Т. 17. - С. 200-202.
3. Владимиров Ю.А. //Биофизика.-1987. - Т. 32. - N 5. - C. 830-844.
4. Владимиров Ю.А. Свободные радикалы в биологических системах //Соросовский Образовательный Журнал. 2000. Т 6, №12. - С. 13-19.
5. Герасимов А.М., Гусев В.А., Брусков О.С. Влияние экзогенной супероксиддисмутазы и 1,4 - диазобицикло-(2,2,2) - октана на устойчивость мышей к острой кислородной интоксикации. - Бюлл. экспер. биол. мед. - 1977. - Том 83. - №2. - с. 147-150.
6. Герасимов А.М., Захаров А.С. Тиолзависимое образование супероксидного радикала менадионом и викасолом. - Биохимия. - 1985. - Том 83. - №2. - С. 147-150.
7. Делянин Н.В., Герасимов А.М. Механизмы антиоксидантной защиты организма при изменении режима кислородного обеспечения. Материалы международной научной конференции. Гродно. - 1993. - с.18-19.
8. Дмитриев Л.Ф., Иванова М.В., Давлетшина Л.Н. //Биохимия. - 1993. - Т. 58, N 2. - C. 255-260.
9. Дубинина Е.Е., Шугалей И.В. //Успехи соврем. биологии. - 1993. - Т. 113, вып.1. - С. 71-81.
10. Зенков Н.К. Окислительный стресс. Биохимические и патофизиологические аспекты /Н.К. Зенков, В.З. Лапкин, Е.Б. Меньщикова. - М.: Наука /Интерпериодика, 2001. - 343с.
11. Казимирко В.К., Мальцев В.И. Антиоксидантная система и ее функционирование в организме человека. Медицинская Газета «Здоровье Укранины», выпуск № 192 «Новости медицины».
12. Кения М.В., Лукиш А.И., Гуськов Е.П. Роль низкомолекулярных антиоксидантов при окислительном стрессе //Успехи соврем. биол. - 1993. -Т. 113. - вып. 4. - С. 456-469.
13. Кучеренко Н.Е., Васильев А.Н. Липиды. - К., Вища школа, Киев, 1985. - 247 с.
14. Ленинджер А. Биохимия. Молекулярные основы структуры и функции клетки. М.: «Мир», 1999. - с.390-422.
15. Лукьянова Л.Д., Балмуханов Б.С., Уголев А.Т. Кислородзависимые процессы в клетке и ее функциональное состояние. - М.: Наука, 1982. - С. 298.
16. Ляхович В.В., Вавилин В.А., Зенков Н.К., Меньщикова Е.Б. Активированные кислородные метаболиты в монооксидазных реакциях. Бюллетень СО РАМН, №4 (118), 2005. - с.7-12.
17. Малышев И.Ю., Манухина Е.Б. //Биохимия. - 1998. - Т. 63.,вып. 7. - С. 992-1006.
18. Марков Х.М. О биорегуляторной системе L-аргинин - оксид азота. //Патофизиология и экспериментальная медицина. -1996. - №1. - с.34-39.
19. Марков Х.М. //Патофизиол. и эксперим. терапия. - 1996. - N 1. - C. 34-39.
20. Меньщикова Е.В., Зенков Н.Н. Антиоксиданты и ингибиторы радикальных оки­слительных процессов //Успехи современ. биологии. - 1993.-Т. 113,вып. 4. - С. 442-453.
21. Метелица Д.Н. Активация кислорода ферментными системами /Д.Н. Метелица. - М., 1982.
22. Окороков А.И. Диагностика болезней сердца и сосудов /А.И. Окороков //Диагностика болезней внутренних органов: Т. 6. - М.: Мед. лит., 2002. - 464 с.
23. Петрович Ю.А., Гуткин Д.В. //Патол. физиол. и эксперим. терапия. - 1986. - N 5. - C. 85-92.
24. Поберезкина Н.Б., Осинская Л.Ф. //Украинский биохим. журнал. - 1989.- Т. 61, N 2. - C. 14-23.
25. Проскуряков С.Я., Коноплянникова А.Г., Иванникова А.Н., Скворцов В.Г. Биология оксида азота. //Успехи современной биологии, 1999. - Том. - 119, №4. - с. 380-395.
26. Северина И.С. Растворимая гуанилатциклаза в молекулярном механизме физиологических эффектов оксида азота. //БИОХИМИЯ, - 1998. - том 63. - вып. 7. - с. 939-947.
27. Скулачев В.П. Кислород в живой клетке: Добро и зло //Соросовский Образовательный Журнал, 1996.№3 - с. 4-16.
28. Скулачев В.П. Альтернативные функции клеточного дыхания //Соросовский Образовательный Журнал, 1998. №8. - с. 2-7.
29. Скулачев В.П. Эволюция, митохондрии и кислород //Соросовский Образовательный Журнал, 1999. №9. - с. 1-7.
30. Скулачев В.П. Явления запрограммированной смерти. Митохондрии, клетки и органы: роль активных форм кислорода. //Соросовский Образовательный Журнал, том 7, №6, 2001. - с. 4-10.
31. Смирнов А.В., Криворучка Б.И. Антигипоксанты в неотложной медицине. Анест. и реаниматол., 1998, №2, с. 50-57.
32. Соколовский В.В. //Вопр. мед. химии. - 1994. - N 2. - C. 2-6.
33. Dansette P. M., Sassi A., Descamps C., Mansuy D. //Antioxidants in therapy and preventive medicine. N.Y.: Plenum press, 1990. - P. 209.
34. Frei B., Gaziano J.M. Content of antioxidants, preformed lipid hydroperoxides and cholesterol as predictors of the susceptibility of human LDL to metal ion-dependent and independent oxidation //J. Lipid Res. - 1993. - 34. - Р. 2135-2145.
35. Frei B. Natural antioxidants in human health and disease. Orlando, FL: Academic Press.- 1993.
36. Halliwell B., Gutteridge J.M.C. Lipid peroxidation, oxygen radicals, cell damage, and antioxidant therapy //Lancet. - 1984. - Р.1396-98.
37. Krinsky N.L. Membrane antioxidants //Ann. NY. Acad. Sci. - 1988. - 551. - Р. 17-33.
38. Pryor W.A. Free radicals and lipid peroxidation: what they are and how they got that way. In: Frei B. ed. Natural antioxidants in human health and disease. Orlando, FL: Academic Press. - 1994. - Р. 1-24.
39. Stocker R., Frei B. Endogenous antioxidant defences in human blood plasma. In: Sies H. ed. Oxidative stress: oxidants and antioxidants. London: Academic Press. - 1991. - P.213-243.

Библиографическая ссылка