Роль открытия кислорода в развитии философских взглядов на сущность жизни

Эйкозаноиды - это гормоны, производные С20-полиненасыщенных жирных кислот типа арахидоновой. Их разделяют на циклические (простаноиды и линейные (прежде всего лейкотриены). Промежуточными метаболитами являются пероксиды (соответственно циклический эндопероксид ПГ G2 и 5-НОО-арахидонат), имеющие огромное биологическое значение. Кроме того, они защищают от повреждений клетки желудка, сердца и других органов. Липоксигеназа образует первый лейкотриен А4 - 5,6-эпоксид арахидоновой кислоты, который при гидратации переходит в лейкотриен В4, а при присоединении глутатиона - в лейкотриен С4. Лейкотриены, как и простаноиды, способствуют развитию воспаления (первично это полезная защитная реакция), при этом лейкотриен В4 вызывает хемотаксис и активацию нейтрофилов; лейкотриен С4 и его метаболит D4 стимулируют сокращение гладких мышц.

Серьезной проблемой для многоклеточных организмов является борьба с клетками-врагами. Важную роль в этом играют фагоциты (нейтрофилы и макрофаги), которые захватывают микроорганизмы, а затем убивают их, используя АФК в качестве основного оружия, повреждающего макромолекулы и мембраны путем их ОМ. Макрофаги разрушают поврежденные, старые или иммунологически несовместимые клетки, а также способствуют уничтожению злокачественных клеток и клеток, пораженных вирусами. Остеокласты (специализированные макрофаги) применяют АФК для разрушения кости - обязательного условия ее обновления. Во всех этих случаях клетки-защитники быстро поглощают большое количество О2 (дыхательный взрыв) и затем используют его для образования АФК при помощи расположенной в плазматической мембране НАДФН-оксидазы дыхательного взрыва:

2О2- +НАДФН> 2O2-* + НАДФ+ + Н+

Важное значение АФК для защиты от бактерий доказывается тем, что при инактивирующей мутации этого фермента возникает хронический септический грануломатоз: фагоцитированные микроорганизмы остаются живыми, что приводит к повторным хроническим инфекциям и чревато сепсисом. Еще один фермент «дыхательного взрыва» расположенной в плазматической мембране НАДН-оксидаза дыхательного взрыва спозобствует образованию перекиси водорода:

О2-+НАДН + Н+> НАД+ + Н2О2

Пероксид водорода используется также для окисления галоген-анионов: в нейтрофилах - Сl- - для образования мощного окислителя гипохлорита HClO, также убивающего бактерии, а в щитовидной железе - J- , что необходимо для синтеза гормонов йодтиронинов.

В последнее время обнаружены новые функции АФК - регуляторные. АФК стимулируют накопление в клетке вторых посредников - циклонуклеотидов: цAMФ и цГМФ, при этом последний образуется в результате активации НО* (но не другими АФК) гиалоплазматической гуанилилциклазы. АФК вызывают накопление ионов Са2+ в цитозоле и стимуляцию фосфорилирования белков в результате активации протеинкиназ (особенно протеинкиназы С) и протеинтирозинкиназ и ингибирования протеинфосфатаз; активируют белок Ras, играющий важную роль в передаче сигналов в ядро клетки. Активно исследуется, не могут ли АФК сами прямо выполнять функции вторых посредников гормонов. В пользу этого свидетельствуют накопление АФК при воздействии факторов роста клеток, цитокинов, инсулина, паратирина, витамина Д3, модификация эффектов этих гормонов под влиянием АФК и их снижение или блокада антиоксидантами. АФК и липидные ROOH в низких субтоксических концентрациях индуцируют такие процессы, как экспрессия генов (в том числе генов раннего ответа и других протоонкогенов) и деление клеток. Н2О2, накапливающаяся при инвазии вирусов и бактерий, активирует транскрипционный фактор NF-кB, что приводит к индукции ряда цитокинов и иммунных рецепторов и в результате к иммунным и воспалительным ответам, а также к индукции белков острой фазы и адгезии (последние способствуют выходу лейкоцитов в ткани, что важно при воспалении). Очевидно, роль АФК в защите организма шире, чем предполагалось ранее: она включает не только фагоцитоз опасных клеток, но и запуск других воспалительных реакций и иммунных процессов.

Патологические последствия возникают при чрезмерном накоплении АФК, пероксидов и их вторичных продуктов - состоянии, называемом обычно оксидативным стрессом, а факторы и вещества, способствующие этому, называют прооксидантами, эти термины спорны (речь идет не об основных окислительных процессах), но общеприняты. Факторы, вызывающие оксидативный стресс, различны, но все они в конечном счете вызывают ОМ макромолекул. Прежде всего это избыток О2, особенно при гипербарической оксигенации (лечении кислородом под повышенным давлением) и реперфузии, то есть возобновления кровотока после его нарушения из-за тромбоза (закупорки сосуда) или сильного спазма, характерных для инфаркта миокарда или инсульта головного мозга. Значительная выраженность воспаления с активацией нейтрофилов и макрофагов также неизбежно приводит к накоплению АФК. К другим факторам относят избыток гема, металлов переменной валентности (Fe2+ и Cu+), ионизирующие и ультрафиолетовое излучения, курение, витамин Д, большие дозы витамина А и некоторые ксенобиотики. Для последних наиболее важными процессами являются: 1) окисление в пероксисомах (гликолат), митохондриях (амины) или в микросомах (лекарства амидопирин, гексенал, дионин) с образованием Н2О2; 2) редокс-циклирование хинонов (менадион, доксорубицин, фурадонин), метронидазола и бипиридильных гербицидов (паракват, дикват), вызывающее аккумуляцию O2-*.

Оксидативный стресс приводит к повреждению наиболее важных полимеров - нуклеиновых кислот, белков и липидов. Из АФК только НО* вызывает повреждения ДНК (окисление оснований, их модификации, разрывы цепей, повреждения хромосом), при этом сейчас считают, что АФК вызывают больше мутаций, чем другой класс мутагенов - алкилирующие вещества. Мутации могут привести к патологии и гибели клеток или их злокачественному перерождению (раки, лейкозы и др.), а мутации в ДНК половых клеток - к наследуемым заболеваниям. Высокие концентрации АФК и липидных гидропероксидов ингибируют синтез ДНК и деление клеток и могут активировать апоптоз (программированную смерть клеток), что полезно для организма, так как ценой гибели части клеток предупреждает прогрессирование злокачественных процессов и гибель целого организма.

ОМ белков, вызванная АФК, не только изменяет аминокислотные остатки, но и нарушает третичную структуру и даже вызывает агрегацию и денатурацию. В результате снижается или исчезает их многообразная функциональная активность (ферментативная, регуляторная, участие в матричных синтезах, транспорт ионов и липидов), а некоторые из них способствуют мутациям или становятся аутоантигенами. ПОЛ прежде всего повреждает клеточные мембраны. Кроме того, продукты ПОЛ (4-гидро-ксиалкенали, малоновый диальдегид и др.) являются мутагенными и цитотоксичными. Избыток некоторых эйкозаноидов также дает патологические эффекты: тромбоз и гипертонию (тромбоксаны), гиперчувствительность, участие в патогенезе бронхиальной астмы, шока, инфаркта миокарда, язвы желудка (лейкотриены).

Все описанные нарушения могут серьезно или полностью дезорганизовать функционирование клеток и организма в целом, утяжелить или даже вызвать серьезные болезни и привести к смерти и/или наследственной патологии. Оксидативный стресс с накоплением в тканях и биологических жидкостях АФК и вторичных продуктов ОМ макромолекул обнаружен при многих (> 60) болезнях и патологических синдромах, часто называемых свободно-радикальной патологией: старении, различных злокачественных процессах, хроническом воспалении (ревматоидный артрит, гастрит и язва, колиты, цистит и др.), СПИДе, сахарном диабете, атеросклерозе, последствиях инфаркта и инсульта, катаракте, нейродегенеративных заболеваниях (паркинсонизм, болезнь Альцгеймера и др.) и многих других. Правда, далеко не всегда установлены первичность накопления АФК и/или ОМ макромолекул и их важное значение в патогенезе. Многие не учитывают, что эти нарушения могут быть не причиной, а следствием развития болезней. Наконец, важно подчеркнуть, что организм отнюдь не беззащитен по отношению к АФК и ОМ макромолекул.

6.4 Защита. Антиоксидантная система клеток

Защита осуществляется двумя принципиально различными механизмами: 1) снижением образования первой АФК - O2-* путем уменьшения О2 в клетке или его более быстрого использования дыхательной цепью ввиду снятия ее контроля ?µ Н+,

2) функционированием антиоксидантной системы (АОС). Мы рассматриваем только второй механизм.

Антиоксиданты - это вещества уменьшающие интенсивность свободнорадикальных процессов.

Все АО могут быть разделены на АО косвенного (опосредованного) действия и АО прямого (направленного) действия.

АО косвенного действия способны снижать интенсивность СРО только в биологических объектах (от клеточных органелл до целого организма), но неэффективны in vitro. Механизмы их действия могут быть различны: активация (реактивация) антиоксидантных ферментов; подавление в организме реакций, приводящих к образованию АФК; сдвиг реакций СРО в сторону образования менее реакционноспособных соединений; селективная индукция генов, кодирующих белки систем антиоксидантной защиты и репарации повреждений; нормализация обмена веществ и т.д. При патологии интенсивность СРО повышена в той или иной степени практически во всех случаях. Естественно, что нормализация тех или иных обменных процессов в организме должна по логике вещей приводить к снижению продукции АФК и уровня СРО. Таким образом, любое вещество, нормализующее метаболические процессы в организме, способно на уровне организма проявить «антиоксидантный» эффект.

АО прямого действия, наоборот, обладают непосредственными антирадикальными свойствами, которые можно обнаружить в тестах in vitro. Б. Холлиуэлл и Дж. Гатридж определяют такие АО, как «любую субстанцию, которая, присутствуя (в среде) в низкой концентрации, сравнимой с концентрацией способного окисляться субстрата, достоверно снижает или предотвращает окисление этого субстрата».

Антиоксиданты прямого действия делят на пять основных категорий:

Доноры протона;

Полиены;

Катализаторы;

Ловушки радикалов;

Комплексообразователи.

1. Доноры протона. Вещества с легкоподвижным атомом водорода. Перехватывают свободные радикалы по реакции:

AH + X* > A* + XH,

где АН - АО с подвижным атомом водорода, а X* - радикальный инициатор или промежуточный радикальный продукт СРО.

Радикалы A*, в зависимости от соотношений концентраций реагирующих соединений и условий протекания реакции, могут элиминироваться при взаимодействии с радикалами X* или A* либо вступают в побочные реакции продолжения цепи СРО. Антирадикальная активность АО - доноров протона может не коррелировать с эффективностью ингибирования ПОЛ. Доноры протона - наиболее обширная группа АО, нашедших медицинское применение.

1.1 Фенолы. Основным механизмом антиоксидантного действия веществ этой группы является взаимодействие с образующимися в ходе ПОЛ перокси- (ROO*) и алкокси-радикалами (RO*) за счет легко подвижного атома водорода одной или нескольких фенольных групп в составе молекулы АО. Наибольшей эффективностью обладают так называетые «стерически затрудненные фенолы», в ароматическое ядро которых введены пространственно крупные заместители в соседние с ОН-группой положения. С радикальными АФК фенольные АО взаимодействуют очень слабо. Фенольные АО эффективно подавляют реакции ПОЛ, но практически неспособны защищать белки от окислительного повреждения. Эффективность защиты нуклеиновых кислот от окислительной модификации также невысока. Некоторые АО фенольного типа (например, часть флавоноидов) способны хелатировать катионы металлов, выступая в роли АО-комплексообразователей. Фенольным АО свойственно наличие в определенных условиях прооксидантных свойств: на настоящее время установлена зависимость прооксидантного эффекта фенольных АО от концентрации АО, от интенсивности и длительности протекания процессов СРО и от наличия в среде катионов металлов переходной валентности (железо, медь, марганец и др.).

Основные представители: токоферолы, ионол, пробукол, производные фенолов и нафтолов, флавоноиды, катехины, фенолкарбоновые кислоты, эстрогены, лазароиды.

1.2 Азот-содержащие гетероциклические вещества. Механизм действия, по-видимому, аналогичен таковому фенольных АО. Высокой подвижностью в молекуле таких веществ обладает атом водорода, связанный с азотом в составе ароматического гетероцикла. Возможность прооксидантного действия не изучена. Основные представители: мелатонин, производные 1,4-дигидропиридина, 5,6,7,8-тетрагидробиоптерин, производные пирролопиримидина.

1.3 Тиолы. Механизм действия двойственный: тиоловые АО способны выступать как в роли доноров протона (с образованием тиильных радикалов)

RSH + X* -> RS* + XH,

так и в роли хелаторов катионов переходных металлов. Более эффективны, чем фенольные АО, в предотвращении окислительного повреждения белков. За счет образования тиильных радикалов способны проявлять прооксидантный эффект. Основные представители: глутатион, цистеин, гомоцистеин, N-ацетилцистеин, эрготионеин, дигидролипоевая кислота.

1.4 б,в-Диенолы. Установлен механизм действия основного представителя этой группы АО: аскорбиновой кислоты - она легко отдает протоны, превращаясь в дегидроаскорбиновую кислоту (процесс обратим). Аскорбиновая кислота во многих случаях проявляет прооксидантные свойства.

1.5 Порфирины. Механизм действия, по-видимому, множественный: доноры протона, комплексообразователи, катализаторы (в виде комплексов с катионами некоторых металлов - см. ниже). Основной представитель: билирубин.

2. Полиены (вещества с несколькими ненасыщенными связями). Легко окисляются, конкурируя за АФК и радикалы с биомолекулами и тем самым защищая последние от окисления. Способны взаимодействовать с различными свободными радикалами, ковалентно присоединяя их по двойной связи. Сами по себе обладают невысокой антиоксидантной активностью, но сочетание с АО - донорами протона (при условии более высокой молярной концентрации последних) приводит к синергичному усилению антиоксидантного эффекта смеси. Полиеновые АО защищают белки и нуклеиновые кислоты гораздо слабее, чем липиды. Могут проявлять прооксидантное действие, поскольку продукты окисления полиенов обычно достаточно легко вовлекаются в дальнейшее развиитие реакций СРО.

Основные представители: ретиноиды (ретиналь, ретиноевая кислота, ретинол и его эфиры) и каротиноиды (каротины, ликопин, спириллоксантин, астацин, астаксантин и др.).

3. Катализаторы. Вещества, способные катализировать элиминацию АФК и промежуточных продуктов СРО без образования новых свободных радикалов. Известны также под названием «имитаторы ферментов» (enzyme mimetics). В отличие от рассмотренных выше групп АО прямого действия АО-катализаторы эффективны в значительно более низких концентрациях и не расходуются в ходе реакций элиминации АФК и продуктов СРО. Это значит, что они могут быть использованы в гораздо меньших дозах, их эффект в организме будет сохраняться дольше, а вероятность проявления побочного действия у них гораздо меньше. Кроме того, на сегодняшний день нет данных о возможности проявления АО данной группы прооксидантного действия в условиях, близких к физиологическим. Наибольшие перспективы в медицинском применении имеют имитаторы супероксиддисмутазы (СОД) и глутатионпероксидазы (ГП). Предпринимаются попытки создания имитаторов каталазы, способных функционировать при физиологических условиях.

3.1 Имитаторы СОД. СОД является ферментом, катализирующим дисмутацию супероксид-анион-радикала:

O2-* + O2-* + 2H+ >H2O2 + О2

Из органических соединений известны две группы веществ, способных катализировать дисмутацию O2-* по различным механизмам: нитроксилы и аминоксилы. В настоящее время наиболее активно исследуется распределение в организме, метаболизм и токсикология нитроксилов, рассматриваемых в качестве перспективной основы новых медицинских АО. Высокоактивными и малотоксичными имитаторами СОД являются комплексы некоторых азот-содержащих органических соединений с катионами марганца, железа, цинка, меди, в первую очередь металлопорфирины, наиболее интенсивно изучаемые с точки зрения перспектив фармакологического применения. Из всех АО, известных на сегодняшний день, действие имитаторов СОД наиболее универсально, поскольку их мишенью является супероксид-анион-радикал - один из видов первичных АФК, в больших количествах образующихся в клетках.

3.2 Имитаторы ГП. ГП катализирует превращение опасных для организма органических гидропероксидов (ROOH) и Н2О2 в инертные гидроксисоединения (ROH) и воду соответственно при участии особого тиол-содержащего пептида глутатиона. Большинство ГП являются селенопротеинами. После выяснения ключевой роли селена в функционировании ГП начался целенаправленный поиск селеноорганических соединений с ГП-подобной активностью. В настоящее время известно уже много таких веществ, наиболее изученным из которых является эбселен. ГП-подобная активность обнаружена также у некоторых теллур-содержащих соединений. Все эти АО для проявления каталитической активности требуют наличия в среде глутатиона или аскорбиновой кислоты. Соответственно механизму действия, имитаторы ГП эффективны почти исключительно для снижения интенсивности ПОЛ.

4. Ловушки радикалов. К этой группе АО относятся вещества, образующие при взаимодействии со свободными радикалами аддукты радикальной природы с ограниченной реакционной способностью. Изначально такие вещества были синтезированы в качестве спиновых меток для использования в аналитической спектроскопии электронного парамагнитного резонанса. Типичными представителями ловушек радикалов являются нитроны, в частности, фенил-трет-бутилнитрон, эффективно связывающие супероксидные и гидроксильные радикалы. В экспериментах на животных был показан протективный эффект нитронов при окислительном повреждении центральной нервной системы. Могут ингибировать все звенья СРО за счет элиминации первично продуцирующихся АФК.

5. Комплексообразователи (хелаторы). Ингибируют только металло-зависимые реакции СРО за счет связывания катионов металлов переходной валентности, катализирующих реакции образования АФК. Способность образовавшихся комплексов участвовать в реакциях СРО зависит как от природы комплекса, так и от большого числа иных факторов. Могут проявлять в зависимости от условий эксперимента как анти-, так и прооксидантные свойства, причем прооксидантное действие зависит не только от химической природой вещества, но и от природы инициаторов процессов СРО.

Так, в условиях индукции ПОЛ липосом Fe2+ этилендиаминотетрауксусная кислота (ЭДТА) удлиняет латентный период развития хемилюминесценции, что говорит о ее антиоксидантном действии. ЭДТА также является эффективным антиоксидантом при Cu2+-зависимой стимуляции ПОЛ. С другой стороны, в присутствии Н2О2, органических гидропероксидов или аскорбиновой кислоты комплексы ЭДТА с Fe2+ или Fe3+ существенно увеличивают скорость образования гидроксильных радикалов в сравнении с соответствующими катионами. 1,10-батофенантролин подавляет Fe2+-зависимое и усиливает Cu2+-зависимое образование гидроксильных радикалов в присутствии Н2О2. Десфероксамин и карнозин проявляют эффективное антиоксидантное действие при металлозависимой индукции ПОЛ даже в присутствии Н2О2, но нитрилотриуксусная кислота и 8-гидроксихинолин существенно усиливают прооксидантное действие катионов переходных металлов. С другой стороны, образование комплексов с Fe3+ является одним из механизмов антиоксидантного действия некоторых флавоноидов, и ведущим механизмом антиоксидантного действия изоникотиноильных соединений.

Основные представители: ЭДТА и ее соли (трилон Б, версен, комплексон III), десфероксамин, 1,10-батофенантролин, карнозин, изоникотиноильные соединения, некоторые флавоноиды.

АОС включает как низкомолекулярные антиоксиданты, так и антиоксидантные ферменты.

Не ферментативные антиоксиданты представлены природными антиоксидантами: витамины-антиоксиданты (витамины С, Е, провитамин А) и антиоксидантные элементы (Cu, Zn, Mn, Se) а также другими соединениями, которые потребляются с пищей/кормом. Концентрации первых представленыв табл. 1. Ясно, что они значительно выше, чем АФК.

Таблица 3. Концентрация антиоксидантов в тканях, M

Механизм действия антирадикальных средств ("скэвенджеров") заключается в непосредственном взаимодействии данных препаратов со свободными радикалами с их нейтрализацией.

Витамин Е (токоферол) - может находиться в виде 7 изомеров, обладающих одинаковой антиоксидантной активностью, выполняет очень важные биологические функции: участие в тканевом дыхании, реакциях фосфорилирования, реакциях иммунного ответа, обмене нуклеиновых кислот, синтезе аскорбиновой кислоты, убихинона, гема, выполняет антианемическую функцию. Это гидрофобный антиоксидант.

Наиболее изученное антирадикальное средство - б-токоферол (витамин Е). Витамин Е является природным антиоксидантом, содержащим фенольное кольцо с системой сопряженных двойных связей, защищающим различные вещества от окислительных изменений, участвующим в биосинтезе гема и белков, пролиферации клеток, тканевом дыхании и других важнейших процессах клеточного метаболизма. Он может выполнять структурную функцию, взаимодействуя с фосфолипидами биологических мембран. Токоферол тормозит ПОЛ, предупреждая повреждение клеточных мембран, элиминирует свободные радикалы, восстанавливая их. Поток протонов от фонда НАДФН+ и НАДН к токоферолу осуществляется цепью антирадикальных эндогенных соединений (глутатион, эрготионин-аскорбат) при участии соответствующих редуктаз и дегидрогеназ. Механизм антиоксидантного действия препарата заключается в переносе водорода фенильной группы на перекисный радикал:

R-OO - + б-ТокОH > R-OОH + a-ТокО-

R-OO - + б- ТокО- > R-OОH + a-Ток (неактивный)

Феноксил - радикал, который образуется при этом, сам по себе достаточно стабилен и в продолжении цепи не участвует.

Синергичный эффект оказывает аскорбиновая кислота, восстанавливающая продукт окисления токоферола - б-токофероксид в б-токоферол. Как и другие жирорастворимые витамины, витамин Е хорошо всасывается в верхних отделах тонкой кишки и поступает в кровяное русло через лимфатическую систему. В крови связывается с b-липопротеидами. Около 80% введенного в организм токоферола через неделю экскретируется желчью, а небольшая часть выводится в виде метаболитов с мочой.

Суммарный антиоксидантный эффект б-токоферола не слишком выражен, так как в процессе нейтрализации свободных радикалов данным веществом образуются соединения с остаточной радикальной активностью. Другой недостаток б-токоферола заключается в его липофильности и нерастворимости в воде, что затрудняет создание лекарственных форм б-токоферола для парентерального введения, необходимых при оказании неотложной помощи. Выход здесь состоит в создании липосомальных форм б-токоферола, более эффективных и потенциально пригодных для парентерального введения. Главное достоинство б-токоферола - очень малая токсичность, как у эндогенного соединения.

Витамин С (аскорбиновая кислота) синтезируется в организме многих животных и птиц (исключение составляют человек, приматы, морские свинки, рыбы). Является гидрофильным соединением. Биологические функции: участие в окислительно-восстановительных процессах, регуляции углеводного обмена, процессах свертывания крови, стимуляции гемопоэза, образовании стероидных гормонов надпочечников, нормализации проницаемости капилляров.

Совместно с витамином Е в организме действует и аскорбиновая кислота (витамин С), способная образовывать окислительно-восстановительную пару аскорбиновая кислота/дегидроаскорбиновая кислота. Вероятно, на границе раздела липиды/водная фаза аскорбиновая кислота обеспечивает защиту токоферола или восстанавливает его окисленную форму после атаки свободных радикалов. Кроме того, предполагается, что витамин С может предотвращать или делать обратимым процесс окисления восстановленного глутатиона (GSH) до его функционально неактивной формы (GSSG). Весьма важным обстоятельством является то, что аскорбиновая кислота проявляет выраженный антиоксидантный эффект только в отсутствии металлов переменной валентности (ионов железа и меди); в присутствии же активной формы железа (Fe3+), она может восстанавливать его до двухвалентного железа (Fe2+), которое способно высвобождать гидроксильный радикал по реакции Фентона, проявляя свойства прооксиданта. Фактически достаточно 10 мг витамина С в день, чтобы избежать его дефицита в организме, но для того, чтобы он мог активно функционировать как антиоксидант, необходимо принимать его в значительно большем количестве - 80-150 мг/сутки.

Ретинол (витамин А) и в-каротин (провитамин А) являются составной частью естественной антиоксидантной системы клетки и обладают определенным антиоксидантным действием, однако оно подтверждено преимущественно в экспериментальных исследованиях на животных. Согласно мембранной теории действия витамина А, ретинол способен проникать в гидрофобную зону биомембран и взаимодействовать с лецитино-холестериновыми монослоями на границе раздела фаз, вызывая перестройку мембран клетки, лизосом и митохондрий. в-Каротин выполняет антиоксидантные функции за счет наличия изопреноидных участков в своей формуле.

Обычным источником витамина А в пище является легко абсорбируемый из животных тканей ретинол-пальмитат, но некоторые каротиноиды растительного происхождения (примерно 50 из 600) также могут быть предшественниками витамина А. Одним из важнейших каротиноидов является в-каротин. Предполагали, что повышенный уровень в-каротина в плазме или его повышенное потребление с пищей связаны со сниженным риском сердечных или раковых заболеваний.

Убихинон (коэнзим-Q) - кофермент, широко распространенный в клетках организма. В химическом отношении это производное бензохинона. является обязательным и наиболее подвижным компонентом электрон-транспортных цепей, он участвует в удалении протонов из матрикса митохондрий и последующем освобождении их в межмембранное пространство. В соответствии с общепринятой в настоящее время хемиосмотической моделью Питера Митчелла это обеспечивает сопряжение процессов электронного транспорта и окислительного фосфорилирования. Кроме того, восстановленная форма убихинона благодаря своей способности присоединять электроны служит хорошим антиоксидантом. Антиоксидантная функция убихинона была доказана после того, как снижение содержания убихинона в митохондриях сопровождалось усилением перекисного окисления, а его восстановление - обратным эффектом. Восстановленный убихинон является единственным липидорастворимым антиоксидантом, который синтезируется в клетках животных и человека, а также постоянно регенерируется из окисленной формы с помощью ферментных систем организма. Обе формы убихинона встречаются во всех клеточных мембранах, в плазме крови и липопротеинах низкой плотности.

Метаболизм убихинона тесно связан с метаболизмом другого липофильного антиоксиданта - витамина Е, являющегося наиболее эффективным антиоксидантом в миокарде. Убихинон способен регенерировать восстановленную форму витамина Е. Их концентрации в плазме пропорциональны содержанию липопротеинов, в частности, оба антиоксиданта прямо коррелируют с уровнем холестерина. При этом концентрация витамина Е в плазме в несколько раз выше, чем убихинона, а в тканях - ситуация обратная. Убихинон в основном используется в комплексной терапии больных ишемической болезнью сердца, при инфаркте миокарда.

Другой большой группой естественных антиоксидантов являются флавоноиды - полифенольные соединения растительного происхождения. Они также могут играть определенную роль в антиоксидантной защите клеток в силу своей способности служить акцепторами кислорода. Одним из самых активных соединений этой категории является кверцетин, содержащийся, в частности, в огурцах. В некоторых, хотя не во всех проспективных эпидемиологических исследованиях показано, что повышенное потребление флавоноидов сочетается с пониженным риском развития ИБС.

Таким образом, гидрофильные восстановленный глутатион (GSH) и аскорбиновая кислота (в мышцах и карнозин) находятся в водной фазе клетки и защищают вещества гиалоплазмы и матрикса митохондрий, а гидрофобные антиоксиданты защищают мембраны. Эти вещества перехватывают свободные радикалы, восстанавливают АФК и продукты ОМ. Отметим, что среди низкомолекулярных антиоксидантов важную роль играют пищевые вещества: витамины С и Е и каротины. Такими же свойствами обладают ураты и билирубин, которые ранее считали просто ненужными и даже вредными метаболитами.

Еще более важную роль играют антиоксидантные ферменты. Обычно выделяют три линии защиты: 1) супероксиддисмутаза, 2) селеновая глутатионпероксидаза (ГПО) и каталаза, 3) ГПО и глутатионтрансферазы (рис. 1), а также недавно обнаруженная фосфолипидгидропероксид-ГПО.

Супероксиддисмутаза (СОД) - металлосодержащий протеин; имеет изоферменты, которые существует в клетке в двух формах: цитозольной (содержит ионы меди, цинка) и митохондриальной (ионы марганца). СОД называют первой линией защиты, так как супероксидный анион-радикал образуется обычно первым из других АФК при утечке кислорода из дыхательной цепи. Это индуцируемый фермент, т. е. синтез его увеличивается, если в клетках активируются процессы ПОЛ. СОД отвечает за катализ реакций образования перекиси водорода.

СОД

O2-* + O2-* + 2H+>H2O2 + О2

Каталаза - гемопротеин, содержащий четыре гемовые группы, катализирует разложение перекиси водорода на воду и молекулярный кислород. Наибольшая активность обнаружена в эритроцитах, селезенке, костном мозге.

Кат

2H2O2 > 2H2O + О2

Глутатионпероксидаза - это трипептид, состоящий из «глн - цис - гли». Это селен-содержащий фермент; обнаруживается во всех клетках млекопитающих: в цитозоле (47%), митохондриях (20-30%). Maксимальное количество содержится в эритроцитах. Катализирует восстановление перекиси водорода за счет окисления глутатиона. Имеет важное значение: увеличивает продолжительность жизни эритроцитов.

Важной составляющей антиоксидантной защиты является система глутатиона, нейтрализующая перекиси липидов, органические гидропероксиды ROOH свободных жирных кислот, нуклеотидов, нуклеиновых кислот и поддерживающая в восстановленном состоянии SH-группы белков, что обеспечивает их функциональную активность.

Показано, что увеличение уровня катехоламинов при стрессе напрямую связано с увеличением активности глутатионпероксидазы.

Глутатионпероксидаза (ГП) - фермент, восстанавливающий перекись водорода и липоперекиси с одновременным окислением глутатиона (GSH):

ГП

2GSH + Н2О2 >GSSG + 2Н2О

ГП

2GSH + RООH>GSSG + RОН + Н2О

ГП обладает в 1000 раз большим сродством к перекиси водорода по сравнению с каталазой, поэтому ГП рассматривают в качестве антиоксидантного фермента, имеющего первоочередное значение в защите клетки от постоянно образуемой перекиси водорода. Активность ГП прогрессивно возрастает в зависимости от количества возникающих липопероксидов. При этом накапливается окисленный глутатион, смешанные дисульфиды глутатиона и белков, снижается уровень NADP-H, а затем и восстановленного глутатиона (GSH).

Глутатионредуктаза (ГР) катализирует восстановление окисленного глутатиона, используя в качестве восстановительного эквивалента NADPH:

ГР

GSSG + NADPH + Н+> 2GSН + NADP+

Окисление глутатиона в глутатионпероксидазной реакции, сопряженное с его восстановлением глутатионредуктазой, является определяющим фактором, поддерживающим восстановительный потенциал глутатиона.

Антиоксидантная активность восстановленного глутатиона тесно связана с работой защитных ферментов системы глутатиона. В условиях активации перекисного окисления уровень восстановленного глутатиона снижается, а окисленного глутатиона - возрастает.

Глутатион-S-трансферазы (Г-S-Т) - семейство мультифункциональных белков, использующих GSH для конъюгации с гидрофобными веществами, их восстановления или изомеризации. Биологическая роль Г-S-Т в организме заключается:а) в биотрансформации ксенобиотиков:

ГSТ

RХ + GSH>RSG + НХ,

где Х - "уходящая" нуклеофильная группа

Глутатионтрансферазы восстанавливают только ROOH, но важно, что один из изоферментов находится прямо в хроматине и восстанавливает ROOH ДНК в ядре.

б) в обезвреживании токсических продуктов ПОЛ (например, эпоксидов холестерина):

ГSТ

R + GSH>НRSG

в) в восстановлении гидроперекисей липидов:

ГSТ

ROOH + 2GSH > ROH + GSSG + Н2О

Фосфолипидгидропероксид-ГПО восстанавливает ROOH жирных кислот в составе фосфолипидов (для этого не требуется предварительный гидролиз последних). Вспомогательным ферментом является глутатионредуктаза.

Сопряженная работа этих ферментов показана на рис. 2.

Это уменьшает или даже предупреждает прогрессирование ПОЛ и ОМ нуклеиновых кислот и белков. Однако необходимо обезвреживание вторичных метаболитов ОМ (см. рис. 1) - это четвертая линия защиты. ГТ конъюгирует с GSH ряд окисленных веществ (R(O) на рис. 1), в том числе главный продукт ПОЛ - 4-гидроксиалкенали и опасные эпоксиды. Формальдегиддегидрогеназа и глиоксалаза, использующие GSH в качестве кофермента, окисляют свои субстраты до органических кислот. Кроме того, альдегиддегидрогеназа окисляет малоновый диальдегид. Хинонредуктаза (ДТ-диафораза) обеспечивает двухэлектронное восстановление хинонов в дигидрохиноны, что предупреждает образование вредных продуктов одноэлектронного восстановления - семихинонов; эпоксидгидролаза гидратирует эпоксиды с образованием диолов. В целом ферментативная АОС обеспечивает мощный и эффективный метаболизм не только АФК, но и активных окисленных соединений. В АОС особенно важна роль GSH: 1) это главный восстановитель клетки, его концентрация (1-10 мМ) выше, чем большинства органических веществ; 2) как и другие низкомолекулярные антиоксиданты, он прямо восстанавливает АФК; 3) функционирует на трех линиях ферментативной защиты (восстановление Н2О2, ROOH и обезвреживание вторичных метаболитов ОМ) из четырех; 4) GSH-зависимые ферменты работают во всех частях клетки, включая ядро, митохондрии и эндоплазматическую сеть. Известный антиоксидатный эффект Se также в основном опосредован ферментами - обеими ГПО.

Важность АОС доказывается: 1) накоплением АФК и нарастанием ОМ при дефиците низкомолекулярных антиоксидантов: GSH, витаминов Е и С; 2) гибелью нейронов спинного и головного мозга при инактивирующей мутации СОД (амиотрофический латеральный склероз); 3) развитием при серьезном дефиците GSH или GSH-зависимых ферментов гемолиза эритроцитов, катаракты хрусталика и поражения печени проксидантными ядами (ССl4 и др.). Неудивительно, что оксидативный стресс возникает не только при избыточности АФК и ОМ макромолекул, но и при недостаточности АОС (не только абсолютной, но и относительной). Следовательно, оксидативный стресс - это сдвиг к преобладанию прооксидантов над антиоксидантами.

Но АОС выполняет и другую важную функцию. Она снижает или даже предупреждает большинство эффектов, вызываемых АФК и OМ макромолекул: активацию протеинкиназы С, фактора NF- ?B, экспрессии генов (в том числе протоонкогенов) и апоптоза, действие гормонов типа факторов роста клеток и цитокинов, тормозит прогрессирование СПИДа. Это не только стало дополнительным и независимым подтверждением регуляторных функций АФК, но и привело к признанию регуляторных функций АОС, к рождению концепции внутриклеточной редокс-регуляции, определяемой соотношением прооксидантов и антиоксидантов. Возникли и определенные надежды на антиоксидантную профилактику злокачественных процессов путем применения природных (витамины Е, С и каротины) и синтетических антиоксидантов. Сейчас это усиленно проверяется.

Если ОМ происходит и повреждает макромолекулы, то клетка вынуждена их разрушать: активируется катаболизм полимеров, осуществляемый пептидазами, фосфолипазами (особенно А2) и нуклеазами, а затем новые синтезы восполняют убыль. Для ДНК включается и механизм репарации - хорошо известно, что это единственные биомолекулы, для которых он существует.

6.5 Свободнорадикальная теория старения

Старение организма - сложный и многогранный процесс, который зависит от множества механизмов. Но среди различных факторов, играющих важную роль в старении, безусловно, важное значение имеет процесс повреждения клеток организма свободными радикалами. Интенсивность окислительного метаболизма обратно пропорциональна продолжительности жизни.

Одной из наиболее плодотворно развивающихся в последние годы фундаментальных теорий является свободноpадикальная теория старения, практически одновременно выдвинутая D.Harman в 1956г. и Н.М.Эмануэлем в 1958г. D. Harman в 1954г. предположил, что универсальной причиной старения является свободнорадикальное окисление жиров, белков и липидов. В последнее время эта теория находит все большее подтверждение. С возрастом в тканях человека повышается содержание продуктов свободнорадикального окисления молекул, в том числе ДНК. Это указывает на снижение в целом скорости обмена веществ в организме. Повреждение ДНК играет важную роль в процессе клеточных мутаций в старости. Возможно, свободные радикалы стимулируют апоптоз - программируемую гибель клеток, путем раскрытия каналов клеточной стенки для белка, находящегося в межклеточном пространстве и запускающего этот процесс. Свободные радикалы с возрастом снижают скорость клеточного деления.

Показано, что в клетках головного мозга пожилых людей активность антиоксидантных систем, по сравнению с молодыми, снижена почти в 2 раза. Возможно, активирование свободных радикалов в мозге играет роль в развитии возрастной патологии мозга, включая болезнь Альцгеймера.

Общий анализ данных об участии свободных радикалов в процессе старения и сопровождающих его заболеваниях позволяет ряду авторов утверждать, что под действием свободных радикалов происходит повреждение макромолекул. Это приводит к мутациям клеток, нестабильности генома и развитию ряда возрастных патологий: рака, сердечно-сосудистых заболеваний, возрастного угнетения иммунной системы, нарушения функций мозга, возрастных заболеваний глаз (катаракта) и др.

Весь комплекс воздействия свободных радикалов на организм часто называют «оксидативный стресс», а многие авторы старение называют «хроническим оксидативным стрессом».

Эта теория объясняет не только механизм старения, но и широкий круг связанных с ним патологических процессов (сердечно-сосудистые заболевания, возрастные иммунодепрессия и дисфункция мозга, катаракта, рак и некоторые другие). Согласно этой теории, пpодуциpуемые главным образом в митохондриях клеток молекулы супероксида (O2-*), Н2О2, гидроксильного радикала (НО*) и, возможно, синглетного кислорода ('О2) повреждают клеточные макромолекулы (ДНК, белки, липиды). Полагают, что активные формы кислорода вызывают повреждения мембран, коллагена, ДНК, хроматина, стpуктуpных белков, а также участвуют в эпигенетической pегуляции экспрессии ядерных и митохондриальных генов, приводя к метилированию ДНК, влияют на внутриклеточный уровень кальция и т.д. Подсчитано, что за 70 лет жизни человека организм производит около одной тонны радикалов кислорода, хотя только 2-5% вдыхаемого с воздухом кислорода превращается в его токсические радикалы. В клетке крысы может возникать до 104 вызванных активными формами кислорода повреждений ДНК в день и при постоянных условиях до 10% молекул белка могут иметь карбонильные модификации. Подавляющее большинство из них нейтрализуется еще до того, как успеют повредить те или иные компоненты клетки. Так, из каждого миллиона образующихся супероксидных радикалов от ферментной защиты ускользает не более четырех. К основным эндогенным факторам антиоксидантной защиты организма относятся некоторые ферментыи витамины (см. выше).

Показано, что видовая продолжительность жизни прямо коррелирует с активностью супероксиддисмутазы (СОД), содержанием в-каротина, б-токоферола и мочевой кислоты в сыворотке крови. Более того, у долгоживущих линий D. melanogaster экспрессия СОД, каталазы, глютатионредуктазы и ксантиндегидрогеназы была достоверно большей, чем у короткоживущих линий мух.

Таблица 4. Факторы, защищающие макромолекулы клеток от повреждения свободными радикалами

В пользу свободнорадикальной теории старения говорят эксперименты в которых трансгенные линии D. melanogaster с дополнительными копиями генов, обеспечивающих избыточную активность СОД и каталазы, жили на 20-37% дольше контрольных мух, тогда как мухи с избыточными копиями генов лишь одного из этих ферментов антиокислительной защиты таким эффектом не обладали. Недавно было установлено, что трансгенные дрозофилы с избыточной экспрессией гена SOD1 в мотонейронах жили на 40% дольше и были значительно устойчивее к окислительному стрессу, чем мухи, не имевшие этого гена. Витамин Е, мелатонин, халатные агенты и некоторые синтетические антиоксиданты увеличивали продолжительность жизни не только дрозофил, но и лабораторных мышей и крыс. Однако, то обстоятельство, что продукты взаимодействия АФК с макромолекулами постоянно обнаруживаются в органах и тканях организма, свидетельствует о том, что системы антиоксидантной защиты недостаточно эффективны и что клетки постоянно подвергаются окислительному стрессу. Противодействие ему может играть существенную роль в механизме геропротекторного действия эндогенных и экзогенных антиоксидантов.

7. КРУГОВОРОТ КИСЛОРОДА

В природе царит закон целесообразности. И одной из ярких его иллюстраций служат «безотходные технологии», когда отработанные вещества одной живой системы автоматически становятся исходными соединениями для деятельности другой. Иначе это можно назвать круговоротом веществ в природе. Один из наиболее сложныхкругооборотов - круговорот кислорода, таккакскислородом вступает в реакциюбольшоеколичество органических и неорганических веществ, а также водород (последний дает с О2 (воду Н2О). Особенностью кругооборота кислорода является широкоемного образиекислородсодержащих веществ вбиосфере. Кислород в целом самый распространенный в биосфере химическийэлемент. В свободном виде О2 присутствует в наземныхводных источниках, в почве и составляет основу воздуха, присутствуя в атмосфере также и в виде озона (главным образом в стратосфере).Всвязанномвиде кислород составляет основу горных пород иминералов (например, солевых и оксидных), а также газообразных продуктов (например,оксидовуглерода, серы, азота и др.), и, наконец, воды (самогораспространенногонапланете вещества).

В количественном отношении главной составляющей живой материи является кислород, круговорот которого осложнён его способностью вступать в различные химические реакции, главным образом реакции окисления. В результате возникает множество локальных циклов, происходящих между атмосферой, гидросферой и литосферой. Кислород, содержащийся в атмосфере и в поверхностных минералах (осадочные кальциты, железные руды), имеет биогенное происхождение и должно рассматриваться как продукт фотосинтеза. Этот процесс противоположен процессу потребления кислорода при дыхании, который сопровождается разрушением органических молекул, взаимодействием кислорода с водородом (отщеплённым от субстрата) и образованием воды. В некотором отношении круговорот кислорода напоминает обратный круговорот углекислого газа. В основном он происходит между атмосферой и живыми организмами. Потребление атмосферного кислорода и его возмещение растениями в процессе фотосинтеза осуществляется довольно быстро. Расчёты показывают, что для полного обновления всего атмосферного кислорода требуется около двух тысяч лет. С другой стороны, для того, чтобы все молекулы воды гидросферы были подвергнуты фотолизу и вновь синтезированы живыми организмами, необходимо два миллиона лет. Большая часть кислорода, вырабатываемого в течение геологических эпох, не оставалась в атмосфере, а фиксировалась литосферой в виде карбонатов, сульфатов, оксидов железа, и её масса составляет 5,9 · 1016 т. Масса кислорода, циркулирующего в биосфере в виде газа или сульфатов, растворённых в океанических и континентальных водах, в несколько раз меньше (0,4 · 1016 т). Отметим, что, начиная с определённой концентрации, кислород очень токсичен для клеток и тканей (даже у аэробных организмов). Живой анаэробный организм не может выдержать (это было доказано ещё в прошлом веке Л. Пастером) концентрацию кислорода, превышающую атмосферную на 1%.

Кругооборот кислорода непосредственно связан с кругооборотомуглерода (процессы фотосинтеза, дыхания и питания животных). Так при фотосинтезе растения для производства питательных веществ и кислорода используют не что иное, как «отходы» жизнедеятельности всех живых существ, а именно: воду и углекислый газ. Часть СО2 образуется при гниении,разложении,отмирании этих же растений под действием редуцентов, а также при пожарах.

Еслибынепроисходилопобочныхпроцессов,токоличество СО2, выделяемого в атмосферуиусваиваемогорастениями,былобыодинаковым. Однакожечастьуглеродавременновыводитсяизкругооборотазасчет частичной минерализации останков растений иживотных с образованием торфа, нефти, углей идругихископаемых в литосфере.

Нарушение стабильного кругооборота кислорода происходит в основном из-забольших объемов сжигания органического топлива (свободный кислород тратиться на окисление), а с другой стороны, из-за массовой вырубки лесов (главного источника поступления свободного кислорода в биосферу).

Одновременно с этим возникает целый блок глобальных проблем (парниковый эффект, кислотные дожди, явления "смога" и др.).

7.1 Фотосинтез

Фотосинтез (от греч. photos «свет») - это процесс трансформации поглощенной растением электромагнитной энергии солнечного света в химическую энергию органических соединений. Значение света для зеленых растений подчеркивалещеАристотель:«Те части растений, вкоторыхвлажноенесмешиваетсяссолнечнымилучами, остаются белыми». В 1777 г. Д. Пристли открыл,чторастенияднемвыделяюткислород, очищая воздух, «испорченный» горением илидыханиемживотных.Сампроцесс фотосинтезабылдоскональноизучен К.А. Тимирязевым (1843-1920).Фотосинтез осуществляетсязасчетэнергиисолнечныхлучей(26500 млрд ккал/с на всей земной поверхности).Чтобы свет мог быть использованным в процессе фотосинтеза, необходимо его поглощение фоторецепторами - пигментами.

Пигменты -- важнейший компонент аппарата фотосинтеза. Пигменты пластид относятся к трем классам веществ: хлорофиллам, фикобилинам и каротиноидам.

У всех высших растений, водорослей и цианобактерий содержится хлорофилл a, хлорофилл b имеется у высших растений и зеленых водорослей. Хлорофилл с, лишенный фитола, содержится в бурых и диатомовых водорослях, хлорофилл d - в красных водорослях. Фотосинтезирующие зеленые бактерии имеют бактериохлорофиллы c и d, пурпурные бактерии - бактериохлорофиллы a и b.

Резко выраженные максимумы поглощения хлорофиллов лежат в красной и синей частях спектра. В этиловом эфире максимумы поглощения хлорофиллов группы а в красной части спектра -- в пределах 660 -- 663 нм, в синей -- 428 --430 нм, хлорофилла b -- соответственно в пределах 642 -- 644 и 452 -- 455 нм. Хлорофиллы очень слабо поглощают оранжевый и желтый свет и совсем не поглощают зеленые и инфракрасные лучи.

Каротиноиды - жирорастворимые пигменты, присутствующие в хлоропластах всех растений. К каротиноидам относят 3 группы соединений: 1) оранжевые или красные каротины, 2) желтые ксантофиллы, 3) каротиноидные кислоты. Основные каротиноиды - -каротин, лютеин, виолаксантин и неоксантин. Каротиноиды -- обязательные компоненты пигментных систем всех фотосинтезирующих организмов. Каротиноиды имеют максимумы поглощения в фиолетово-синей и синей частях спектра света. При отсутствии прямого солнечного света (пасмурная погода) увеличивается доля сине-фиолетовых лучей. Эти данные указывают на важность коротковолновой части спектра при использовании наземными растениями рассеянного света и возможность участия каротиноидов в фотосинтезе в качестве дополнительных пигментов.

Главные функции каротиноидов: поглощение света в качестве дополнительных пигментов, защита молекул хлорофиллов от необратимого фотоокисления, тушение активных радикалов,участие в фототропизме, так как способствуют определению направления роста побега. Возможно, каротиноиды принимают участие в кислородном обмене при фотосинтезе.

Сине-зеленые и красные водоросли помимо хлорофилла а и каротиноидов содержат пигменты фикобилины. Фикобилины являются хромофорными группами фикобилипротеинов -- глобулиновых белков, с которыми в отличие от хлорофиллов они связаны прочными ковалентными связями. Фикобилипротеины делятся на три основные группы: 1) фикоэритрины -- белки красного цвета с максимумом поглощения от 498 до 568 нм, 2) фикоцианины -- сине-голубые белки с максимумами поглощения от 585 до 630 нм, 3) аллофикоцианины -- синие белки с максимумами поглощения 585 до 650 нм. Фикобилипротеины в клетках водорослей локализованы в фикобилисомах -- гранулах, расположенных на наружной поверхности фотосинтетических ламелл. Фикобилины имеют максимумы поглощения в оранжевой, желтой и зеленой частях спектра света. Это позволяет водорослям полнее использовать свет, проникающий в воду. На глубине около 30 м полностью исчезают красные лучи, около 180 м - желтые, 320 м - зеленые, а на глубину более 500 м не проникают синие и фиолетовые лучи. Фикобилины водорослей- это дополнительные пигменты, выполняющие вместо хлорофилла b функции светособирающего комплекса. Около 90 % энергии света, поглощенного фикобилинами, передается на хлорофилл а.

Фотосинтез имеет две фазы - световую и темновую. В световой фазе молекулы пигментов (хлорофилла b, каротиноидов, фикобилинов) поглощают фотоны, передают поглощенную энергию молекулам хлорофилла а, происходит трансформация энергии света в химическую энергию АТФ и восстановленного НАДФН, выделяется кислород в результате фоторазложения воды. Все эти процессы происходят на мембранах хлоропластов. В состав ламелл хлоропластов входят пять многокомпонентных белковых комплексов: светособирающий комплекс, фотосистемы I и II, цитохромный комплекс, включающий цитохромы b6 и f, и АТРазный комплекс, участвующий в синтезе АТР. Все они функционируют, взаимодействуя друг с другом.