Статьи

Антиоксидантный барьер

10/04/2012

Свободные радикалы это атомы или молекулы, способные к независимому существованию, которые имеют один или больше неспаренных электронов [G. Bartosz: Druga twarz tlenu, PWN, Warszawa 1995]. Благодаря этому радикалы неустойчивы, но очень активны химически. В живых организмах они могут образовываться в энзиматических реакциях или спонтанно. До 70-ых годов в медицинских публикациях не было много сообщений о роли и значении свободных радикалов. Изменили эту ситуацию результаты исследований, опубликованные:

- McCoda и Fridovitcha [Mc Cord, J. M. Fridowitch, J. Biol. Chem. 244, 6049, 1969] указывают на существование почти во всех клетках млекопитающих супероксиддисмутазы (SOD; EC 1.15.1.1), фермента, который катализирует реакцию дисмутации супероксид-анионного радикала;
- Babiora [B. M. Babior, J. Clin, Inwest. 52, 741, 1973], в котором показаны функции нейтрофилов, связанные с генерированием свободных радикалов;
- Grangera [D. N. Granger, Gastroenterology 81, 22, 1981], который показал, что многие заболевания связаны с отсутствием равновесия между механизмами, которые вызывают генерирование свободных радикалов, и системами, которые их обезвреживают.

К активным формам кислорода (АФК) относятся: синглетный кислород (1О2), озон, радикал гидропероксида, супероксид анион (•O2−), пероксид водорода (Н2О2), гидроксильный радикал (OH-), оксид азота, диоксид азота, пероксинитритовая кислота и её анион.

Источники образования активных форм кислорода:
1. Нейтрофилы, которые отвечают за локализацию воспалительного процесса в организме, распознавание, уничтожение и переваривание нарушителя.
Нейтрофилы оснащены двумя системами убийства: кислородно-независимой и кислородной, которая генерирует O2 •, OH •, ONOO •.
Активные формы кислорода высвобождаясь из фагоцитарных клеток, могут повредить другие клетки.
2. Дыхательная цепь - несколько процентов кислорода, который используют митохондрии, частично редуцируется, создавая O2•. По оценкам, каждый день в нормальных метаболических условиях каждая клетка человека подвергается экспозиции 1010 молекул O2•. Для человека весом примерно 70 кг это означает образование 0,15 моль O2 • в день.
3. Оксидазы - энзимы, которые катализируют реакции, в которых генерируются АФК, в том числе моноаминоксидаза (МАО), окисляющая ксенобиотики из оболочек эндоплазматического ретикулума.
4. Аутооксидация эндо- и экзогенных соединений — напр. аутооксидация адреналина генерирует АФК.
5. pH - снижение кислотности ускоряет высвобождение связанных с белками металлов переходных групп (Cu+2, Fe+2+), что нарушает реакции дыхательной цепи в пользу генерации O2-•. Снижение pH в клетках с нехваткой кислорода увеличивает шанс выживания - парадокс pH.
6. Металлы переходных групп - катионы железа, меди и марганца могут переносить электрон на биологически важные макрочастицы.
7. Синтез эйкозаноидов - фосфолипаза A2 освобождает из фосфолипидов арахидоновую кислоту, которая через цикло- и липоксигеназы преобразуется в простагландины, лейкотриены, тромбоксаны и простациклины. Во всех этих процессах генерируются АФК. АФК активируют фосфолипазу A2.

Также очень важен пероксид водорода, который несмотря на то, что не является свободным радикалом, играет важную роль в окислительных процессах образования свободных радикалов (схема 1). Из-за большой реактивности радикалов их периоды полураспада очень коротки (напр. O2-• при 37oC – 1*10-6 секунды, OH• при 37oC – 1*10-9 секунды).

Схема 1 - Образование свободных радикалов (в т.ч. реакция Фентона и реакция Габера - Вейса)

Пероксид водорода образуется в результате редукции молекулярного кислорода либо в результате дисмутации супероксидного радикала через СОД.Восстанавливается через каталазу до воды и O2. Время полураспада зависит от активности каталазы и глутатионовой пероксидазы, поэтому он живёт настолько долго, что может проникать через оболочки клеток и "путешествовать" по всему организму.

Наибольшую опасность для организма представляет радикал гидроксила, потому что реагирует с каждой встреченной органической
молекулой. Эти реакции могут иметь разные механизмы:
• отдачи атома: OH• + HR H2O + R• → H2O + R•
• присоединения радикала: OH• + R – CH = CH – R R – CHOH – C• H → H2O + R• – R
• аддиции радикалов: R• + R• R – R → H2O + R•
Общим признаком этих реакций является поддержка цепи свободнорадикальных реакций.
Главным источником гидроксильных радикалов является реакция Фентона
H2O2 + Fe+2 OH• + OH- + Fe+3 → H2O + R•
Другим источником гидроксил радикалов является реакция Габера - Вейса, в которой катализаторами являются катионы железа и меди.
O2-• + H2O2 O2 + OH• + OH-

Супероксид анион-радикал O2-• образуется в результате одноэлектронной редукции молекулярного кислорода. Является конечным либо промежуточным продуктом многих энзиматических реакций. Образуется, в основном, в дыхательной цепи (схема 2), в энзиматических

реакциях, катализируемых: • оксидоредуктазами (оксидазой ксантиновой, альдегидной, дигидрооротатной, диаминовой, оксидоредуктазой НАДФН {цитохромом P-450}, миелопероксидазой нейтрофилов), • самоокислением редуцированных форм биохимических соединений (флавина, нуклеотидов хинонов, ароматических аминокислот, птеридинов, ферредоксина, тиоловых соединений, в т.ч. глутатиона, адреналина, допамина).

Схема 2 - Образование в дыхательной цепи энергии и свободных радикалов (в т.ч. и супероксид анион-радикала)

Радикал оксида азота образуется в процессе синтеза фактора релаксации клеток эндотелия, то есть оксида азота из аргинина. В реакции с супероксид анионом образуется неустойчивая пероксинитритовая кислота, которая подвергается гомолитическому распаду, с образованием гидроксил радикала. Cвободно-радикальная теория старения базируется на эффективности реакций дыхательной цепи, производительность которой составляет примерно 40%. Из-за плохого питания и с течением лет её эффективность ухудшается, результатом чего является увеличенная продукция гидроксил радикалов. Питание, при котором организм не получает достаточного количества витаминов B и витамина K, влечет за собой расстройства, которые, в свою очередь, приводят к торможению реакции фосфорилирования дыхательной цепи определенных клеток. Похожие признаки имеют место при нехватке железа, которое является компонентом ферментов дыхательной цепи. Витамин K участвует в синтезе дыхательной цепи клеток печени. В печени, при использовании энергетических резервов, создаётся большинство белков, в том числе протромбин - белок, имеющий большое значение для процессов свёртывания крови.

Похожая ситуация происходит при дефиците витаминов B. Пеллагра и бери-бери являются результатом расстройств биологического окисления в особенно чувствительных тканях, к которым относится нервные клетки и клетки эпителия, а также клетки желёз внутренней секреции.

В результате свободнорадикальных реакций АФК с органическими соединениями образуются химические соединения с неизученной структурой и биохимическими свойствами, которые могут быть причиной развития многих патологий.

Схема 3 - Последствия взаимодействия АФК с органическими соединениями

В эукариотических организмах существуют защитные механизмы, нейтрализующие разрушительное действие вездесущих АФК. Их заданием является непрерывное мониторирование эффективности отдельных элементов антиоксидантного барьера, то есть поддержание правильного гомеостаза про- и анти- оксидантных процессов.

Элементы антиоксидантного барьера можно разделить на две группы:
1) главные
a) энзиматические: супероксид дисмутаза (CuZnSOD - цитозол, ядро, плазма, MnSOD - митохондрия), каталаза (FeCAT - пероксисома),глутатионпероксидаза (SeGPx - цитозол, митохондрия), трансфераза глутатионовая (цитозол);
b) металлопротеины внеклеточные (альбумин-Fe, Cu, трансферрин-Fe,
церулоплазмин -Cu) и внутриклеточные (ферритин -Fe, металлотионеин -Cu);
c) молекулярные: α-токоферол, β-каротин, аскорбиновая кислота, глутатион, убихинон, ураты, карнозин, ансерин;
2) вспомогательные:
a) энзиматические: глюкозо-6-фосфатдегидрогеназа, редуктаза, глутатиондисульфид;
b) молекулярные: билирубин, биливердин, цистеин, аденозин, гистидин, кислота липоевая, кислота линоленовая.

Все элементы антиоксидантного барьера причастны к его способности защищать от разрушительного воздействия АФК. В каждом из мест, где существует возможность возникновения АФК, присутствуют антиоксиданты. В энзиматических реакциях, в которых
образуются АФК, главные продукты могут быть антиоксидантами, например, в реакции окисления ксантина до мочевой кислоты. Организм создал пространственные барьеры, ограничивая распространение реакции свободных радикалов путём специфического размещения всех элементов антиоксидантного барьера таким образом, чтобы они дополняли друг друга. Если активность энзиматических элементов антиоксидантного барьера не достаточна, а других её составляющих слишком мало, то остаётся защитное действие эндогенных связей, главным образом витаминов: А, Е и C, а также флавоноидов.

Схема 4 - Элементы антиоксидантного барьера

Витамин C, или же кислота L-аскорбиновая, является сильнейшим растворимым в воде антиоксидантом. Она нейтрализует действие АФК в жидкостях организма, крови и во внеклеточной жидкости. Аскорбиновая кислота считается наиболее существенным гидрофильным антиоксидантом. Физиологически наиболее важным гидрофобным антиоксидантом, иначе - липидной фазы, является α-токоферол, то есть витамин E. Действие витаминов Е и C имеет синергистический характер. Аскорбат редуцирует α-токоферольный радикал, регенерируя витамин Е, сам создает аскорбиновый радикал, подвергающийся дальнейшей редукции до дегидроаскорбиновой кислоты. При участии глутатиона редуктазы дегидроаскорбиновой воспроизводит первичную форму витамина C.

Между витаминами Е и А существует синергизм действия в процессе ингибиции пероксидации в гепатоцитах. Витамин А является эффективным антиоксидантом в ситуациях хорошего обеспечения кислородом организма, однако при гипоксии высокую антиоксидантную эффективность проявляет витамин E. Витамин А предотвращает окисление липидных фракций плазмы и липидов цитоплазматических мембран. Пероксидация липидов ведёт к повреждению клеточных мембран.

Скорость окисления липидов зависит от вида ткани, присутствия антиоксидантов и ионов металлов переходных групп а также от концентрации кислорода. Он проходит через три последовательных этапа: инициации, пропагации и терминации.
Этот процесс может инициализироваться напр.: через гидроксил радикал, особенно при участии переходных металлов. Супероксиданион не способен к инициации процесса окисления липидов, потому что является нерастворимым в липидной фазе.
Радикал с неспаренным электроном возле атома углерода входит в реакцию с кислородом, атом водорода переносится на молекулу кислорода, образуется радикал гидроксипероксильный или пероксильный, который является одним из основных инициаторов перекисного окисления липидов.

Схема 5 - Перекисного окисления липидов

Ионы переходных металлов катализируют также распад липидных перекисей:

LOOH + Fe2+ → LO• + OH-Fe3+

LOOH + Fe3+ → LOO• + H+Fe2+

Этап распространения тормозится конкурирующим с ним этапом прекращения, который происходит между реактивными формами радикалов:

LOO• + L1 OO• → LOOL1 + O2

LOO• + L1OO• → LOOL1

L• + L1• → L – L1

Эффектом этого процесса является образование липидов с разветвленными алифатическими цепями либо белково-липидных комплексов. Распад липидных перекисей ведёт к образованию многочисленных соединений, таких как насыщенные углеводороды (этан, пентан, гексан) и углеводороды ненасыщенные, альдегиды (насыщенные и ненасыщенные, гидрокси альдегиды), диальдегиды (напр. малоновый диальдегид — сокращенное название MDA). Некоторые из этих соединений могут быть причиной развития патологических состояний либо могут метаболизироваться в другие потенциальные эндогенные токсины.

Особого внимания заслуживают гамма-дикетоны, которые могут вызывать "сшивание" липидов и белков. Сшитые MDA липиды найдены в мембранах клеток крови при серповидно - клеточной анемии. Окисление липидов приводит к деградации липидов мембран, что может использоваться организмом как защитный механизм. У людей со злокачественными опухолями замечен, особенно при метастазах, повышенный уровень MDA как в сыворотке, так и в моче, что может указывать на усиленную защитную реакцию нейтрофилов.

Свободные радикалы приводят к образованию чужеродных биохимических структур в организме. Исследования многих научных центров во всем мире сосредоточены на определении степени повреждения нуклеиновых кислот (например, путём определения 8-гидроксидеоксигуанозина), белков (путём определения битирозина), и жирных кислот (путём определения MDA, углеводородов, дикетонов и их метаболитов). Особенно интересным направлением исследований является поиск эндогенных токсинов, которые образуются в результате биохимических превращений, которым подвергаются продукты цепочки свободнорадикальных реакций.

Твоя корзина
Заказываю