CC BY
332
О. Ю. Янковский, С. И. Кузнецов
АНТИОКСИДАНТНЫЙ СТАТУС ОРГАНИЗМА ЧЕЛОВЕКА И ЕГО КОРРЕКЦИЯ
В настоящее время широкое распространение получило представление о фундаментальном значении свободнорадикальных и иных химически активных производных кислорода (АПК) как в процессе старения организма, так и при заболеваниях различной природы. Однако полностью избежать образования АПК в ходе утилизации 02 аэробными формами жизни невозможно и по термодинамическим, и по кинетическим причинам [9]. Вследствие этого в ходе эволюции сформировались механизмы, минимизирующие разрушительное действие АПК.
Во-первых, в организме поддерживаются условия, при которых метаболический аппарат клеток функционирует при низком парциальном давлении 02 (1-10 мм рт. ст.), в то время как в атмосфере, а значит - вдыхаемом воздухе, его концентрация многократно выше (159 мм рт. ст.). По современным представлениям, основные внутриклеточные биохимические механизмы сформировались еще в архее и нижнем протерозое, т. е. в эпоху начала накопления атмосферного кислорода. Поэтому они могут быть особенно уязвимы к токсическому действию 02, осуществляемому АПК. Низкая концентрация кислорода в тканях резко снижает вероятность возникновения таких разрушительных агентов [7, 8].
Во-вторых, поступление кислорода из внешней среды для ферментов, утилизирующих его, было канализировано по эстафетному механизму с участием специализированных белков-переносчиков 02. Поэтому основной поток потребляемого организмом 02 и продуктов его превращений практически полностью идет по метаболическим маршрутам, что также снижает вероятность протекания в организме самопроизвольных окислительных процессов.
В результате, по современным оценкам, в организме человека лишь около 1-3% поглощаемого 02 трансформируется в супероксидный радикал (02~, Н02'), а затем - и в другие формы АПК [19].
Основные пути образования АПК in vivo. Главным источником образования АПК в организме выступают митохондрии, утилизирующие около 90% поглощаемого клетками кислорода на производство энергии в аппарате окислительного фосфорилирования. Причиной генерации этих оксидантов является самопроизвольная «утечка» электронов с элек-трон-транспортной цепи митохондрий на молекулы 02 с образованием 02~ (02 + е- -> 02- ). Основными участниками такого процесса выступают убихинон (CoQl0) - компонент Комплекса III электрон-транспортной цепи, а также один из компонентов Комплекса I - фла-винмононуклеотид (FMN) [22].
Конституитивный в физиологических условиях процесс «утечки» электронов в митохондриях интенсифицируется при заболеваниях, психоэмоциональном стрессе, физической нагрузке и др. В настоящее время он рассматривается в качестве основного негативного фактора как при старении организмов, так и в развитии многих патологических состояний [18].
Существенный вклад в образование АПК вносят и несвойственные организму металл-органические комплексы, которые формируются в результате освобождения ионов переходных металлов из поврежденных мсталлопротеидов. Такие слабохелатированные ионы
© О. Ю. Янковский, С. И. Кузнецов, 2005
металлов обладают высокой склонностью к редокс-превращениям с образованием наиболее разрушительных форм АПК - оксокомплексов высоких степеней окисления (например, FeIV= О и Fev= О) и гидроксильного радикала (НО"). Причем, по существующим оценкам, именно НО' ответствен примерно за 50% оксидативных повреждений биоструктур in vivo (цит. по: [8]).
Благодаря исследованиям последнего десятилетия было обнаружено, что в качестве источника АПК может выступать высококалорийная пища, богатая углеводами. Обусловлено это не только излишней интенсификацией анаболических процессов и усилением окислительного фосфорилирования, но и процессом аутоокисления молекул глюкозы [19]:
он9’ 9 9 99
R-C(OH)H-CHO «——R-C=C-H R-C-C-H —^^ R-C-C-H ■ (1)
/ \ анион-радикагу ' \ кетоальдегид
гидроксиальдегид энедиол ' \ энедиола ? (гексилглиоксаль)
(глюкоза) 2 2 02 J
Механизм самопроизвольного окисления глюкозы молекулярным кислородом с участием слабохелатированных ионов железа ведет одновременно к образованию как 02-(НОДтакиНО-:
оно- '9 0 0 0
К-С(ОН)Н-СНО^-^р-С=С-Н ^R-C-C-H —^ R-C-C-H . (2)
( \ анион-радика^ \ кетоальдегид
гидроксиальдегид энедиол ' энедиола I (гексилглиоксаль)
(глюкоза) Ре ^е 02
НО
Обнаружено также, что гипергликемия сопровождается не только увеличением концентрации в плазме крови свободных радикалов, но и ведет к резкому снижению ее антиок-сидантной реактивности. Последнее обусловлено как расходованием молекул-антиоксидантов на уничтожение этих радикалов, так и истощением внутриклеточного пула КАЭРН. Как известно, НАЭРН является донором восстановительных эквивалентов для регенерации мо-лекул-антиоксидантов (см. ниже).
Не случайно, что наряду с гликированием белков (неферментативным гликозилиро-ванием) процесс аутоокисления глюкозы составляет одну из важных патогенетических основ такого заболевания, как диабет. Систематическое же потребление высококалорийной и богатой углеводами пищи рассматривается в качестве одной из основных предпосылок ускоренного старения организма [12].
Прямое поступление в организм человека АПК во многом обусловлено негативным антропогенным воздействием на окружающую среду. В первую очередь это связано с наличием фотохимических производных кислорода (свободных радикалов, монооксидов углерода и азота, озона и других компонентов смога) в воздухе мегаполисов и промышленных центров. Нельзя исключить и возможность накопления в воздухе плохо проветриваемых помещений анион-радикалов 02~ как продуктов «утечки» электронов (электронной эмиссии) с электроустановок на атмосферный кислород.
Между тем, в ходе эволюции аэробных форм жизни были созданы механизмы, специализированные собственно для продукции АПК. Так, в системе иммунной защиты целе-
направленно генерируемые лейкоцитами АПК предназначены для уничтожения инфицирующих микроорганизмов и других объектов фагоцитоза.
Однако в очагах воспаления эти кислородзависимые биоцидные агенты лейкоцитов являются основной причиной повреждения тканей организма. Причем при некоторых заболеваниях воспалительного характера генерируемые лейкоцитами АПК могут выполнять даже ведущую патогенетическую роль (дистресс-синдром, сепсис и др.) [4].
В системах редокс-регуляции генерируются и функционируют нетоксические концентрации таких агентов. Принимают они участие в управлении внутриклеточными процессами, в осуществлении межклеточной коммуникации и для иных нужд организма [9].
Для обеспечения возможности контроля производства АПК специализированные механизмы их продукции характеризуются высокой сложностью структурно-функциональной организации [8].
Система поддержания про- и антиоксидантного баланса в организме (система антиоксидантной защиты). Ключевую роль в противодействии возникающим в организме АПК выполняет система антиоксидантной защиты [15]. Эта система включает различные молекулярные факторы: ферменты и неферментные белки, а также низкомолекулярные соединения. Компоненты антиоксидантной системы способны действовать как в составе сложных ферментативных комплексов, так и автономно, реализуя антиоксидантную функцию во внеклеточном пространстве и/или на клеточном уровне (в липидной фазе биомембран и/или цитозоле). По механизму своего действия антиоксиданты могут выступать в качестве редокс-кофакторов - ликвидаторов АПК и регенераторов модифицированных оксидантами биоструктур, а также хелаторов металлов-прооксидантов.
Таким образом, в условиях физиологического оптимума для нормального функционирования живых систем поддерживается динамическое равновесие между стохастическим и целенаправленными процессами образования АПК, с одной стороны, и противоположно направленным действием системы антиоксидантной защиты - с другой. Нарушение такого равновесия и выход за пределы физиологической нормы (на клеточном или тканевом, либо организменном уровне) получил наименование окислительного или оксидативного стресса.
В большинстве случаев низкая антиоксидантная реактивность в образцах тканей и биологических жидкостей соответствует усилению оксидативных процессов, поэтому в качестве индикатора оксидативного стресса и используется его alter ego - уровень антиоксидантной реактивности в биологических образцах.
Определение антиоксидантного статуса организма. В настоящее время адекватных методов для полной объективной оценки уровня окислительного стресса еще не разработано, поскольку не установлен интервал физиологической нормы антиоксидантного статуса организма. Кроме того, все предложенные методы не учитывают вклад молекул-биохелаторов ионов металлов переменной валентности - важнейшей составляющей в реализации функции системы антиоксидантной защиты. Между тем эти биохелаторы во многом и противодействуют образованию гидроксильного радикала (НО') - наиболее разрушительного оксиданта для живых систем.
Все методические подходы по сути нацелены на определение только восстановительных (электрон-донорных) свойств в отобранных образцах сыворотки или плазмы крови и гомогенатах тканей и, как правило, «имеют дело» лишь с комплексом низкомолекулярных факторов антиоксидантной защиты.
Для ориентировочного определения антиоксидантной активности в организме целесообразно было бы использовать условный редокс-потенциал в образцах плазмы крови как интегральный показатель восстановительной способности содержащихся в плазме антиоксидантов в отношении молекул с известным стандартным редокс-потенциалом.
Действительно, в закрытой системе (вне организма - в пробирке) окислительновосстановительные реакции обратимы и при достижении равновесия редокс-потенциал молекулы-индикатора будет равен интегральному (условному) редокс-потенциалу исследуемой пробы:
Плазма = £„нл = ^о'инд + (RT/nF)lg([nmT”“]/[индвоссЧ), (3)
где инд - молекула-индикатор, [инд0КИСЛ (восст)] - концентрация окисленной (или восстановленной) формы индикатора. Проиллюстрируем это на произвольном примере, выбрав в качестве молекулы-индикатора ферредоксин (£<,' = -0,43 В, рН7, 1° = 30 °С, п = 1):
^плазма = £ферред. = “0,43 В + 0.06 1§(|Те3+-ферр.]/[Ре2+-ферр.]). (4)
Следовательно, при известном количестве внесенного в пробу вещества-индикатора и при возможности определения концентрации хотя бы одного из его редокс-состояний, рассчитать точное значение £плазма затруднений не вызывает.
Однако проблема состоит в выборе редокс-индикатора. С одной стороны, по достижению равновесия в реакционной среде его окисленная или восстановленная форма должна легко регистрироваться и определяться с высокой степенью чувствительности. С другой стороны, функционировать он будет в сложной мультикомпонентной среде и нельзя исключить возможность как его неконтролируемых превращений, так и возникновения помех при инструментальном измерении определяемого параметра.
В частности, указанные недостатки характерны и для таких часто используемых количественных методов оценки антиоксидантного статуса, как определение отношения концентраций аскорбата к дегидроаскорбату или глутатиона (GSH) к его окисленной дисуль-фидной форме (GSSG) [12].
Существующие в настоящее время методы общей оценки антиоксидантного статуса базируются не на строго количественной редокс-характеристике (значении редокс-потен-циала), а используют более произвольные подходы (краткое описание которых и их критический анализ см. в [10]). В частности, в качестве клинического индекса оксидативного стресса предложено использовать 8-оксо-2'-дезоксигуанозин или 3-гидроксимелатонин -выявляемые в моче продукты окислительной деструкции ДНК или окислительной модификации антиоксиданта мелатонина [25].
Между тем уравнение (3) прямо указывает на то, что такая задача - определение восстановительной способности в биологических средах - может быть решена инструментально с использованием потенциометрического метода, где вместо индикаторного вещества используется эталонный электрод. Для этой цели был успешно применен метод циклической потенциометрии (cyclic voltammetry), используемый в электрохимии для изучен™ переносов электронов между молекулами [20].
Аналогичный подход - определение тотальных окислительно-восстановительных свойств в водных средах со сложной композицией - широко используется и при изучении экологии микроорганизмов. Поскольку микроорганизмы получают энергию от окислительновосстановительных реакций, возможность их развития зависит от редокс-потенциала среды обитания. Отсюда следует приуроченность тех или иных видов микробов к соответствующим «полям термодинамической устойчивости», построенным в координатах Е0-рН [3].
В настоящее время потенциометрический метод оценки антиоксидантного статуса следует, по-видимому, признать как наиболее прогрессивный. Как и при использовании других методов определения «тотальной» антиоксидантной реактивности [16], результатом потенциометрического измерения является не сумма потенциальных возможностей отдельных молекул-антиоксидантов, а их коммулятивный эффект. Обусловлено это способностью таких редокс-факторов вступать в сложные окислительно-восстановительные взаимодействия (также и друг с другом).
Измерение теми или другими методами общей антиоксидантной реактивности в мультикомпонентных биологических средах нашло применение не только в сфере антиоксидантной терапии, но и в антиоксидантной нутрициологии [14]. Одной из основных задач этой области современной науки о питании является разработка пищевых рецептур, обеспечивающих оптимальный антиоксидантный статус организма (например, у пожилых людей) или его коррекцию немедикаментозными средствами при заболеваниях. Важным этапом на пути создания таких рецептур является определение антиоксидантной реактивности пищи, а также тех или иных ее компонентов.
Коррекция антиоксидантного статуса организма. Синтетические антиоксиданты. Для коррекции антиоксидантного статуса организма на фоне окислительного стресса применение нашли вещества, обладающие, как и природные антиоксиданты, восстановительными свойствами. Часто для этой цели используются следующие препараты [6]: дитиоглицерин или БАЛ (Н8СН2СН(5Н)СН2ОН), унитиол (Н5СН2СН(5Н)СН2503Н), сукцимер (-СН(ЗН)СООН), Ы-ацетилцистеин (Н3ССОКНСН(Н2С5Н)СООН), пеницилламин (Н2МСН((СН3)2С5Н)СООН), а также реагент неорганической природы - тиосульфат натрия (Ъ1а25203).
При нейтрализации сильных или слабых оксидантов тиосульфат окисляется соответственно до сульфат-иона или тетратионат-иона, например:
№25203 + 4С12 + 5Н20 = 2Н2804 + 2ЫаС1 + 6НС1, (5)
№2Б203 + 12 = Ыа^А, + 2Ш. (6)
Отметим также, что тиосульфат-ион в качестве препарата-антиоксиданта выступает не только восстановителем, но и эффективным лигандом различных металлов-прооксидантов. Значительно более выраженными металл-связывающими свойствами, препятствующими образованию радикалов НО', обладает дефероксамин (дезферриоксамин В):
Н2К-(СН2)5-у-С-К-Ы-£-К-К-£-СН3. О
НО О НО О НО
О
Я: -(СН2)2-(1:-Ы-(СН2)5-
где о (7)
I
н
Следует отметить, что дефероксамин образует даже более прочные хелатные комплексы с Ре3+ (Ка ~ 1(Г30М), чем известный транспортный белок ионов железа - трансфер-рин (Ка* 10“24М).
Для нормализации антиоксидантного статуса организма может использоваться и «люстра Чижевского». Как показали испытания, генерируемые «люстрой» в строго дозированном режиме отрицательно заряженные аэроионы проявляют выраженное антиоксидантное действие [см. http://www.diod.rU/MainRoot/lustra/nayka.htm#l]. По-видимому, действующим фактором среди таких агентов выступает анион-радикал 02- . Как известно, в депротонированном состоянии супероксидный радикал проявляет высокие восстановительные свойства (Е0' = —0,33 В) и, аналогично другим антиоксидантам, способен выступать эффективным донором электронов для нейтрализации свободных радикалов (Я), в том числе и его протонированной формы - Н02':
Н+ + я- + 02- -> ИИ + 02 (или 1Ю0Н),
Н+ + Н02' + 02- -» Н202 + 02.
Однако более предпочтительными в качестве инструмента для поддержания или коррекции антиоксидантного статуса организма являются природные антиоксиданты, которые «профессионально» осуществляют защитную функцию. Как и для большинства других окислительно-восстановительных процессов в организме, исходным источником восстано-
вительных эквивалентов для регенерации окисленных форм антиоксидантов выступают пиридиннуклеотиды: Т^АОН и ^’АОРН.
В конечном счете именно эти универсальные молекулы-восстановители и обеспечивают полицикличность действия отдельных молекул антиоксидантов в отношении АПК. Между тем различные антиоксиданты и сами кооперируют друг с другом, включаясь в естественные редокс-циклы превращений, что во многом обеспечивает их синергический эффект.
Экзогенные природные антиоксиданты. Для человека в качестве экзогенных, но ключевых компонентов антиоксидантной системы собственного организма, способных и автономно реализовать защитную функцию, выступают аскорбат, витамин Е, Р-каротин и ряд других каротиноидов, комплекс витамина Р - флавоноиды растительного происхожде-
Аскорбат (витамин С) является водорастворимой субстанцией и, в зависимости от природы оксиданта, подвергается либо одноэлектронному окислению (9), либо двухэлектронному - непосредственно до дегидроаскорбата:
(8)
где АН2 - аскорбат, НА' - семидегидроаскорбат (Е0'НА'/АН2 = +0,30 В), А - дегидроаскор-бат (Е0'А/АН2 = +0,058 В). В плазме крови человека содержание этого антиоксиданта колеблется в интервале концентраций 30-150 мкМ.
Свободнорадикальный продукт окисления аскорбата - семидегидроаскорбат восстанавливается в исходную форму цитохром Ь5-семидегидроаскорбат-редуктазой. Как известно, поставщиком восстановительных эквивалентов для цитохрома Ь5 микросомальных элек-тронтранспортных цепей выступают оба пиридиннуклеотида: КАОН и ЫАЭРН [1].
Частично восстановленная форма витамина С может регенерироваться и в процессе диспропорционирования молекул семидегидроаскорбата, где в качестве побочного продукта образуется дегидроаскорбат:
НА' + НА' -> АН2 + А. (9)
Непосредственным источником восстановительных эквивалентов для дегидроаскорбата может служить эндогенный антиоксидант - глутатион (Е/ОББС/ОБН = -0,25 В):
А + 2С5Н АНг + СББС. (10)
Данная реакция катализируется дегидроаскорбат-редуктазой. В свою очередь окисленный глутатион восстанавливается в реакции, катализируемой глутатион-редуктазой уже с использованием NADPH:
ОББв + КАОРН + Н+ -> 2СБН + ЫАРР". (И)
Аналогичную функцию молекулы-восстановителя для дегидроаскорбата выполняет и другой эндогенный антиоксидант - а-липоевая кислота (АЬА-Н2). Близость величин редокс-потенциалов липоевой кислоты (Е0'АЬА/АЬА-Н2 = -0,30 В) и ЫАО(Р)Н (Ео' = -0,32 В) делает термодинамически осуществимой реакцию восстановления пиридиннуклеотидами и данного антиоксиданта.
Наиболее важным источником витамина С для человека служат продукты растительного происхождения. Между тем в последние годы в состав многих биологически активных добавок к пище (БАД) вместо витамина С включают его эстерефицированную форму. Благодаря такой структурной модификации удалось пролонгировать время действия связанной формы аскорбата in vivo до трех суток. Обычно же более 80% молекул витамина С удаляется из организма в течение 24 ч.
В отличие от витамина С другой поступающий в организм с пищей антиоксидант -витамин Е (а-токоферол) является гидрофобной субстанцией и преимущественно действует в качестве ликвидатора АПК в липидной фазе биомембрап:
где LOO' - пероксильный радикал жирной кислоты.
Регенерация его исходной формы из токоферильного радикала (ТО) обеспечивается восстановительными эквивалентами витамина С, глутатиона, а-липоевой кислоты и коэн-зима Qiq. Аналогичную функцию способны осуществлять и эстрогены, причем даже более эффективно, чем витамин С [11].
Взаимодействие между радикалами ТО' не сопровождается образованием восстановленных форм витамина Е. Напротив, такое взаимодействие ведет к димеризации молекул, а в реакциях с другими радикалами - либо к рекомбинации с ними, либо к разрушению гетероцикла. .
Важнейшим источником витамина Е являются растительные масла. Из продуктов животного происхождения - яичный желток, сливочное масло, мясо и др. Благодаря способности токоферолов откладываться во многих тканях - развития гипо- или авитаминоза Е почти не наблюдается (даже при отсутствии его поступления в организм человека в течение нескольких месяцев) [2]. В плазме крови человека концентрация этого липофильного антиоксиданта находится в интервале 15-40 мкМ (преимущественно в липопротеидах).
Между тем витамин Е входит во многие рецептуры БАД, а для-более эффективной коррекции антиоксидантного статуса ведутся разработки его структурных модификаций. Примером может служить Тролокс - водорастворимая форма витамина Е.
Наряду с витамином Е в качестве терминального перехватчика свободных радикалов в мембранах может выступать еще одна группа экзогенных антиоксидантов - каротиноиды [23]. Поступают они в организм человека в основном с овощами желтой или оранжевой окраски. Среди каротиноидов наибольшую известность получил Р-каротин (как предшественник витамина А):
Взаимодействуя со свободнорадикальными формами АПК, Р-каротин превращается в катион-радикал (Саг*), который восстанавливается в исходное состояние (Саг) под воздействием витамина Е:
(12)
ТОН
ТО-
Саг + ТОНСаг + ТО + Н+. (14)
Однако в качестве более перспективного средства для коррекции антиоксидантного статуса признан другой каратиноид - астаксантин:
О
-ОН
(15)
НО'
Обусловлено это его более высокой антиоксидантной активностью, а также способностью к растворению не только в липидной, но и водной среде.
В значительных количествах этот каротиноид содержится в таких пищевых продуктах, как семга, лосось, радужная форель, красный морской лещ, что и придает им характерную красную окраску. Наряду с р-каротином и другими каротиноидами (ликопеном, зеаксантином, лютеином или др.) астаксантин также входит в состав многих пищевых добавок.
Основной же функцией каротиноидов в организме человека и животных признана их роль в качестве «гасителей» синглетного кислорода - электрон-возбужденной формы молекулярного кислорода ('02).
Следующая группа экзогенных антиоксидантов - комплекс витамина Р - проявляет обе основных стратегии системы антиоксидантной защиты. Каждый из ее представителей выступает и как редокс-реагент, т. е. ликвидатор АПК, и как эффективный хелатор ионов металлов переменной валентности. Группа этих антиоксидантов представлена растительными флавоноидами - производными 2-фенилбензопирона [27]:
(16)
В настоящее время эта группа насчитывает более 4000 соединений, от которых зависит окраска фруктов и овощей. Примером таких молекул является кверцетин:
(17)
В виде различных гликозидов он обнаружен в листьях гречихи, чае, хмеле и многих других растениях.
В качестве антиоксидантных препаратов биофлавоноиды оказались в 50 раз более эффективными, чем витамин Е, и в 20 раз - чем витамин С. Действуя в сочетании с витамином С, они способны существенно потенциировать защитное действие последнего.
Что касается роли флавоноидов как биохелаторов ионов металлов-прооксидантов, механизм реализации ими данной функции можно продемонстрировать на примере того же кверцетина:
Не случайно, что столь широкий спектр активностей биофлавоноидов позволил рассматривать их как суперантиоксиданты. В наиболее значительных количествах содержатся они в цитрусах, ягодах различных растений, луке, петрушке, бобовых, зеленом чае и красном вине. Большую популярность в антиоксидантной нутрициологии приобрели флавонои-ды экстрактов семян винограда, включаемые часто как целевые ингредиенты в рецептуры пищевых добавок.
Эндогенные антиоксиданты. Среди эндогенных антиоксидантов, недостаток которых в организме человека может восполняться из внешних источников, в первую очередь должны быть упомянуты коэнзим (^ю (Сорю), а-липоевая кислота и мелатонин.
По химической природе Со(310 (убихинон) относится к классу замещенных бензохи-нонов, что и определяет его высокую склонность к окислительно-восстановительным превращениям:
о-
НяССХ, ,/СНз тН+^е- нзсо чз +н++р- Н3СО,
Н3СО
Н3СС к -Н -е' н3СО
(19)
Я= -(СН2-СН=С-СН2)П-Н, п=ю.
В ходе старения организм теряет способность производить адекватные количества СоС^ю, потеря в содержании которого может достигать 80%. Развитие ряда патологических состояний также сопровождается падением уровня этого соединения. Например, среди пациентов с сердечной недостаточностью 75% оказались дефицитными именно по Со<Зю. Указанный дефицит может быть компенсирован как потреблением пищи с высоким содержанием этого компонента (например, брокколи, шпинат и др.), так и специальных пищевых добавок.
По современным представлениям этот ключевой элемент электрон-транспортной цепи системы окислительного фосфорилирования осуществляет свою функцию в качестве антиоксиданта не непосредственно в отношение АПК, а опосредованно - через восстановление (регенерацию) витамина Е и С.
Механизм кооперации убихинона (<3-Н2) с этими антиоксидантами можно представить на примере его взаимодействия с феноксил-радикалом - окисленной формой витамина Е(ТО') [24]:
ТО' + 0-Н2 -» ТОН + -(З-н, (20)
ТО + О-Н -> ТОН + О. (21)
Хотя восстановление убихинона и обеспечивается в электрон-транспортной цепи митохондрий, но его жидкофазный пул (например, в плазме крови человека его уровень со-
ставляет 0,4-1,0мкМ) может регенерироваться восстановительными эквивалентами а-ли-поевой кислоты:
ООН
-2Н -2е‘
+2Н +2е'
СООН .
(22)
Аналогично СоС^ю, а-липоевая кислота, также выполняет важную роль в энергетическом метаболизме клеток, являясь ключевым метаболитом цикла Кребса (цикла трикарбо-новых кислот).
Среди низкомолекулярных антиоксидантов эндогенного (и экзогенного) происхождения а-липоевая кислота занимает особое место [13]. Благодаря ее способности растворяться как в водной, так и липидной фазах а-липоевая кислота признана в качестве универсального антиоксиданта. Кроме того, а-дигидролипоевая кислота, как уже отмечалось, восстанавливает (регенерирует) окисленные формы всех основных низкомолекулярных антиоксидантов (витаминов Е и С, глутатиона, СоС)10).
Оба эти ее свойства способны обеспечить сопряжение потоков восстановительных эквивалентов в мембранах клеток и цитозоле для нейтрализации оксидантов в обеих средах [8].
Универсальность а-липоевой кислоты заключается и в том, что эта молекула, действуя автономно или в составе антиоксидантной системы, выступает не только как редокс-реагент, но и связывает ионы металлов переменной валентности. Последние, как отмечалось, являются катализаторами образования наиболее опасной формы АПК - гидроксильного радикала (НО').
Помимо выраженного антиоксидантного действия, липоевая кислота, благодаря «удачному» расположению ее БН-групп по отношению друг друга, способна эффективно связывать ионы тяжелых металлов и другие токсиканты, взаимодействующие с сульфидными группировками белков и иных биомолекул. Легко реагируют с липоевой кислотой и цианид-ионы:
ЮОН ОМ'+Н
СООН .
Б-Э
Наилучшим пищевым источником а-липоевой кислоты признан шпинат, за которым следуют почки, сердце, скелетные мышцы, брокколи и, наконец, печень. Содержится она также в рыбьем жире, оливковом, соевом и льняном маслах. В качестве важного компонента этот антиоксидант включен и в рецептуры БАД.
Среди эндогенных антиоксидантов в последнее время особое внимание привлек к себе гормон эпифиза мелатонин (1М-ацетил-5-метокситриптамин) [26]:
н,со.
(23)
По современным оценкам в качестве антиоксиданта он выполняет защитную роль уже на протяжении 2,5-3,5 млрд лет, т. е. с момента начала становления 02-зависимого метаболизма в живых системах. Не случайно, что этим соединением оснащены практически все живые организмы - от простейших водорослей и до человека.
Многократность нейтрализующего действия мелатонина в отношении различных форм оксидантов обеспечивается восстановлением его окисленных состояний витамином С, а также мочевой кислотой - эндогенным антиоксидантом, доминирующим (наряду с аскор-батом) в качестве ликвидатора АПК во внеклеточных жидкостях организма.
Мелатонин, будучи преимущественно липофильной субстанцией, может функционировать и в водных растворах. Причем, как было установлено [26], при использовании эквивалентных доз он оказался во много раз более эффективен в защите тканей от оксидативных повреждений, чем витамины С и Е.
Наряду с прямой детоксикацией оксидантов, его антиоксидантное действие осуществляется и косвенным путем: как стимуляцией активности ряда основных ферментов-анти-оксидантов (глутатионпероксидазы, Мп-супероксиддисмутазы и Си, 2п-супероксиддисму-тазы); так и индукцией их биосинтеза через взаимодействие со специфическими рецепторами клеток-мишеней [21].
Отличительной особенностью этого древнейшего антиоксиданта является практическое отсутствие у него прооксидантных свойств, которые в определенных ситуациях проявляют другие эквифункциональные молекулы как эндо-, так и экзогенного происхождения. Например, аскорбат в присутствии свободных ионов Ре2+ выступает уже как эффективный генератор радикалов НО'.
Учитывая факт истощения с возрастом мелатонина, лицам после 45 лет рекомендуется компенсировать его дефицит из растительных источников (рис, ячмень, кукуруза) или пищевых добавок — особенно при наследственной отягощенности по канцерогенезу.
Во многих рецептурах антиоксидантной нутрициологии нашли также применение и следующие эндогенные антиоксиданты: глутатион (у-ЮШ-Ь-СуБ-О^), таурин (Н2М-СН2СН2-$0:,Н) и многоатомный спирт инозитол.
В качестве ингредиента пищевых добавок используется также селен (или селеноме-тионин), необходимый для биосинтеза важнейшего фермента-антиоксиданта - глутатионпероксидазы.
В качестве ингредиантов антиоксидантных добавок к пище можно рассматривать и такие минералы, как Zr\, Си и Мп, входящие в состав «стратегических» ферментов-антиоксидантов: митохондриальной Мп-супероксиддисмутазы и цитоплазматической Си, 2п-су-пероксиддисмутазы.
Несомненно, что функция большинства рассмотренных нами здесь минеральных и органических субстанций не ограничена лишь рамками системы антиоксидантной защиты. В частности, селен является функциональным элементом по меньшей мере 30 белков. Ионами меди, цинка или марганца оснащены многие мсталлопротеиды различной функциональной специализации. Полифункциональностью в организме обладают даже такие «классические» молекулы-антиоксиданты, как аскорбат и витамин Е [11].
Заключение. Приведенный нами краткий обзор ключевых для организма низкомолекулярных антиоксидантов, способов реализации ими защитной функции, а также наличия между ними кооперативное™ в борьбе с АПК, свидетельствует в пользу использования сложнокомпозиционных средств для поддержания или коррекции антиоксидантного статуса организма. Для этой цели в первую очередь должно служить рациональное питание, предусматривающее - в случае необходимости - и потребление современных пищевых доба-
Необходимость употребления БАД связана не только с ухудшением состояния окружающей среды, но и с жесткой технологией обработки пищевых продуктов, «благодаря» которой значительное количество полезных биологически активных компонентов попросту уничтожается. Вследствие этого, например, дефицит только лишь витамина С отмечается у 80% жителей нашей страны [5].
Рассматривая в целом проблему токсичности кислорода, нельзя не обратить внимание на то, что ряд ведущих средств защиты от уже образовавшихся свободнорадикальных и других его химически активных производных организм получает извне, в виде готовых функциональных компонентов антиоксидантной системы, поступающих вместе с пищей.
Причем имеются в виду молекулы-антиоксиданты, которые «профессионально» осуществляют указанную функцию и способны к регенерации в процессе реализации своего действия в отношение АПК. В большинстве других случаев пищевые источники поставляют лишь необходимые элементы для построения и обновления биоструктур, которые организм синтезирует в соответствии с потребностью в них.
По-видимому, эволюция живых систем в кислородсодержащей среде, в целях повышения шансов на выживание организмов, давала им возможность использовать в готовом виде и «достижения» в области антиоксидантной защиты живых форм, весьма далеких в таксономическом плане, но могущих служить пищевыми объектами.
Если же пищевые объекты оказывались постоянным бездефицитным источником эндогенных антиоксидантов, то в ходе филогенеза могла иметь место даже потеря ключевых ферментов их биосинтеза. Так произошло с терминальным ферментом на пути биосинтеза аскорбата - L-гулонолактоноксидазой, отсутствующей у морских свинок, представителей отряда рукокрылых и приматов. Однако у современного человека, в основном использующего рафинированную, термически обработанную и насыщенную легко усваиваемыми углеводами (генераторами свободных радикалов!) пищу, вновь возникла проблема дефицита витамина С.
Эта же проблема касается и других экзогенных, а также многих эндогенных антиоксидантов, недостаток которых в организме человека прежних эпох мог легко восполняться пищевыми источниками. Следовательно, в настоящее время со всей остротой должна быть поставлена задача разработки наиболее информативных и в то же время доступных методов оценки антиоксидантной реактивности, а также эффективных средств (и схем их применения) для поддержания антиоксидантного статуса организма человека на оптимальном уров-не.
Статья рекомендована проф. В. Н. Кокряковым.
Summary
Yankovsky О. Yu., Kuznetsov S. I. An organism antioxidant status and its correction.
Increase in oxidative processes in vivo is primarily determined by decline of antioxidant defense system capacity due to diseases, senescence of an organism and adverse ecological conditions. It is generally accompanied by intensification of chemically active oxygen derivative production. Therefore decrease in the antioxidant reactivity level is an indicator of the development of oxidative destructive reactions in vivo. This indicator serves as the background for using methods and procedures of antioxidant therapy and nutriciology for organism antioxidant status correction.
Литература
1. Арчаков А. И. Микросомальное окисление. М., 1975. 2. Березов Т. Т., Коровкин Б. Ф. Биологическая химия. М., 1982. 2. Заварзин Г. А., Колотилова И. Н. Введение в природоведческую микробиологию. М., 2001. 4. Кокряков В. Н. Биология антибиотиков животного происхождения. СПб., 1999.
5. Российская академия естественных наук. Консультативный центр по биологически активным добавкам к пише и другим нелекарственным оздоровительным продуктам: Пресс-релиз 24.04.2002.
6. Слесарев В. И. Химия: Основы химии живого. СПб., 2000. 7. Федонкин М. А. Холодная заря животной жизни // Природа. 2000. №9. С. 3-11. 8. Янковский О. Ю. Токсичность кислорода и биологические системы. СПб., 2000. 9. Янковский О. Ю., Слепенков С. В. Редокс-факторы как модуляторы клеточных функций // Вестн. С.-Петерб. ун-та. 1995. Сер. 3. Вып. 3 (№ 17). С. 78-84. 10. Abuja Р. М., А1-bertini R. Methods for monitoring oxidative stress, lipid peroxidation and oxidation resistance of lipoproteins// Clinica Chimica Acta. 2001. Vol. 306, N 1. P. 1-17. 11 .AzziA., Stocker A. Vitamin E: nonantioxidant role // Progress in Lipid Res. 2000. P. 231—255. 12. Bailey A. J., Paul R. G., Knott L. Mechanisms of maturation and ageing of collagen // Mechanisms of Ageing and Development. 1998. Vol. 106, N 1-2. P. 1-56. 13. Bustamante J., Lodge J. K.. Marcocci L., Tritschler H. J., Packer L., Rihn В. H. a-Lipoic acid in
liver metabolism and disease // Free Rad. Biol. Med. 1998. Vol. 24. P. 1023-1039. 14. Cao G., Shukitt-Hale B., Joseph J. A., McEwenJ., Prior R. L. Hyperoxia-induced changes in antioxidant capacity and the effect of dietary antioxidants // J. Appl. Physiol. 1999. Vol. 86, N 6. P. 1817-1822. 15. DiplockA. T. Antioxidants and free radical scavengers // Free Radical Damage and its Control / Ed. by C. A. Rise-Evans. R. H. Burdon. Amsterdam, 1994. P. 113-130. 16. Ghiselli A., Serafini M., Natella F., Scaccini C. Total antioxidant capacity as a tool to assess redox status : critical view and experimental data// Free Rad. Biol. Med. 2000. Vol. 29, N 11. P. 1106-11 14. 17. Halliwell B. Free radicals, antioxidants and human disease: curiosity, cause, or consequence // Lancet. 1994. Vol. 344. P. 721-724. 18. Harman D. Free radical theory' of aging: history // Free Radicals and Aging / Ed. by I. Emerit, B. Chance. Basel, 1992. P. 1-10. 19. Hunt J. V., Dean R. T., Wolff S. P. Hydroxyl radical production and autoxidative glycosylation. Glucose autoxidation as the cause of protein damage in the experimental glycation model of diabetes mellitus and ageing // J. Bio-chem. 1988. Vol. 256. P. 205-212. 20. Kohen R., Vellalchamy E., HrbacJ., Gatil, Tirosh O. Quantification of the overall reactive oxygen species scavenging capacity of biological fluids and tissues // Free.Rad. Biol. Med. 2000. Vol. 28. P.871—879. 21. Kotler M., Rodriguez C., Sainz R. M, Antolinl., Menendez-Pelaez A. Melatonin increases gene expression for antioxidant enzymes in rat brain cortex // J. Pineal Res. 1998. Vol. 24, N 2. P. 83-89. 22. Liu V., Fiskurn G., Schubert D. Generation of reactive oxygen species by the mitochondrial electron transport chain // J. Neurochem. 2002. Vol. 80, N 5. P. 780-787. 23. Mortensen A., Skib-stedL. H., Willnow A., Everett S. A., Sies H. Re-appraisal of the tocopheroxyl radical reaction with (3-carotene: evidence for oxidation of vitamin E by the [3-carotene radical cation // Free Radical Res. 1998. Vol. 28, N 1. P. 69-80. 24. Mukai K., KikuchiS., Urano S. Stopped-flow kinetic study of the regeneration reaction of tocopheroxyl radical by reduced ubiquinone-10 in solution // Biochim. Biophys. Acta. 1990. Vol. 1035, N 1. P. 77-82. 25. Reiter R. J. Melatonin: lowering the high price of free radicals // News Physiol. Sci. Vol. 15. P. 246-250. 26. Tan D. X., Reiter R. J., Manchester L. C., YanM.T., El-Sawi M., Sainz R. M., MayoJ.C., Kohen R., Allegra M., Hardeland R. Chemical and physical properties and potential mechanisms: melatonin as a broad spectrum antioxidant and free radical scavenger // Curr. Top. Med. Chem. 2002. Vol. 2, N 2. P. 181-197. 27. Tiwari A. K. Imbalance in antioxidant defence and human diseases: multiple approach of natural antioxidant therapy // Current Science. 2001. Vol. 81, N 9. P. 1179-1187.
Статья поступила в редакцию 29 сентября 2005 г.
