Реактивные формы кислорода (РФК) или активные формы кислорода (АФК) (англ. Reactive oxygen species, ROS) - включают ионы кислорода, свободные радикалы и перекиси как неорганического, так и органического происхождения. Это, как правило, небольшие молекулы с исключительной реактивностью благодаря наличию неспаренного электрона на внешнем электронном уровне.

АФК постоянно образуются в живой клетке как продукты нормального метаболизма кислорода. Активные формы кислорода образуются также под действием ионизирующего излучения. Некоторые АФК могут играть роль медиаторов важных внутриклеточных сигнальных путей. Однако повышенная продукция АФК приводит к оксидативному стрессу. Нормальные функции АФК включают индукцию иммунной системы и мобилизацию систем ионного транспорта. Например, клетки крови на месте повреждения начинают продуцировать АФК, что рекрутирует тромбоциты, необходимые для начала процесса заживления раны. РФК также запускают программируемую клеточную смерть (апоптоз).

Типы:

1. Свободный радикал анион-супероксид О₂^-?

2. Перекись водорода Н₂О₂

3. Гидроксил НО^?

4. Синглетный кислород ¹О₂

5. Озон О₃

6. Гипохлорит HOCl

активная форма кислород нуклеиновый

Пути образования

Последствия образования АФК

Рис.1

Образование АФК, оксидативная модификация молекул (красные стрелки), реакции антиоксидантной защиты (синие стрелки. СОД - супероксиддисмутаза, ГПО - селеновая глутатионпероксидаза, ГТ - глутатионтрансфераза, ФАДГ - формальдегиддегидрогеназа, числа в скобках - линии ферментативной защиты; ROOH - органические гидропероксиды, R (O) - другие продукты оксидативной модификации (4-гидроксиноненаль и др.), HR (O) SG - их конъюгаты с глутатионом.

АФК вызывают образование органических гидропероксидов ROOH-ДНК, белков, липидов, малых молекул. ROOH также образуются в реакции с молекулярным кислородом О₂ при участии ферментов диоксигеназ или циклооксигеназ. ROOH при последующем метаболизме переходят в спирты, альдегиды, эпоксиды и другие окисленные соединения.

АФК вызывают в липидах (L), в основном в остатках полиненасыщенных жирных кислот, цепные реакции с накоплением липидных радикалов L^?, пероксилов LOO^?, гидропероксидов LOOH и алкоксилов LO^?:

Первые три реакции - это инициация и продолжение цепи, а реакция LOOH с Fe²⁺ создает ее разветвление. Далее образуются диеновые конъюгаты, а затем минорные метаболиты: малоновый диальдегид, этан, пентан и др.

Существует также и ферментативный способ образования ПОЛ с участием липооксигеназ и циклооксигеназ, приводящий к образованию эйкозаноидов - специфических регуляторов.

В организме главными продуктами образования ПОЛ являются 4-гидроксиалкенали типа C₅H₉-CHOH-CH=CH-CHO.

Окислительная модификация (ОМ) нуклеиновых кислот

При ОМ ДНК происходит образование гидропероксидов ROOH (так, из тимина образуется 5-CH₂OOH-урацил), а затем гидроксипроизводных ROH или R (OH) ₂, основными из которых являются 8-OH-2'-дезоксигуанозин и тимингликоль (маркеры ОМ ДНК в тканях и моче).

Окислительная модификация (ОМ) белков

При ОМ белков происходит образование в организме ROOH, а затем ROH (o - и m-тирозины), R (OH) ₂ (ДОФА), карбонилов и других окисленных производных. Образуются димеры (дитирозины). Происходит аутооксидативное гликозилирование белков.

Защита от АФК

Ферментативная

1. супероксиддисмутаза (СОД)

СОД восстанавливает супероксид:

2. селеновая глутатионпероксидаза (ГПО) и каталаза

Каталаза восстанавливает H₂O ₂:

3. ГПО и глутатионтрансферазы (рис.1), а также недавно обнаруженная фосфолипидгидропероксид-ГПО.

ГПО восстанавливает и органические гидропероксиды свободных жирных кислот, нуклеотидов, нуклеиновых кислот и, вероятно, белков:

Глутатионтрансферазы восстанавливают только ROOH, но важно, что один из изоферментов находится прямо в хроматине и восстанавливает ROOH ДНК в ядре. Фосфолипидгидропероксид-ГПО восстанавливает ROOH жирных кислот в составе фосфолипидов (для этого не требуется предварительный гидролиз последних). Вспомогательным ферментом является глутатионредуктаза, регенерирующая GSH из GSSG путем NADPH-зависимого восстановления:

Сопряженная работа этих ферментов показана на рис.2

Рис.2

Сопряженное восстановление гидропероксидов. ГР - глутатионредуктаза, GSH и GSSG - восстановленный и окисленный глутатион, ДГ - NADPH⁺-зависимые дегидрогеназы (глюкозо-6-фосфата и др.), RH₂ - субстрат, R - дегидрированный субстрат.

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 (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.

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 H₂O₂, 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 E и C;

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 (CCL₄и др.).

АОС снижает или даже предупреждает большинство эффектов, вызываемых АФК и OМ макромолекул: активацию протеинкиназы С, фактора NF-кВ, 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.

Неферментативная

Биологическое значение

Фагоциты (нейтрофилы и макрофаги) используют АФК для уничтожения микроорганизмов. 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 O2 (дыхательный взрыв) и затем используют его для образования АФК при помощи расположенной в плазматической мембране НАДФН-оксидазы дыхательного взрыва:

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 идр.), 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.

Повреждение белков