CC BY
93
ПАТОБИОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПРОЦЕССОВ СВОБОДНОРАДИКАЛЬНОГО ОКИСЛЕНИЯ
Н.В. Пронина, О.Ю. Беспятых, И. И. Окулова ВНИИОЗ им. проф. Б.М. Житкова, Киров, [email protected]
Необходимым условием существования аэробных клеток является кислород, реакция восстановления которого в клетках и тканях составляет основу биоэнергетики живых организмов. Наличие двух неспаренных электронов существенно ограничивает реакционную способность молекулярного кислорода, который обычно не вступает в прямые неферментативные химические реакции с органическими соединениями, входящими в состав живых клеток и тканей [5,6].
Реакция утилизации О2 в клетке чаще всего протекает с участием оксидаз или оксигеназ, металло-протеинов, в активном центре которых находится один или несколько атомов (ионов) металла переменной валентности (Ре, Си, 7п, Мп, Со) [6]. В ходе этих реакций промежуточные продукты восстановления О2 не выделяются в окружающую среду, а подвергаются превращениям до конечных соединений в реакционном центре этих ферментов. Вместе с тем в биологических системах могут образовываться и промежуточные продукты восстановления молекулы кислорода: перекись водорода, супероксидные и гидроксильные радикалы [3,4,5,6].
Образование радикалов из устойчивых молекул обусловлено появлением на свободной валентной орбитали нового электрона или удалением одного электрона из электронной пары [5,6]. Эти соединения обладают высокой реакционной способностью и получили название «активных форм кислорода» (АФК). АФК представляют собой группу различных по своему атомарному составу соединений радикальной и нерадикальной природы, которые различаются по продолжительности своего существования и активности в клетках и тканях организма [6].
Все радикалы, образующиеся в организме, можно разделить на три категории [6]. Первичные радикалы образуются из молекул за счет реакции одноэлектронного окисления с участием металлов переменной валентности. Это компоненты дыхательной цепи, такие как радикалы убихинона (коэнзима
0), супероксидный анион-радикал и окись азота.
К вторичным относятся радикалы, образующиеся из перекиси водорода, липоперекисей и гипохлорита в присутствии ионов двухвалентного железа. Это, прежде всего, гидроксильный радикал и липидные радикалы, участвующие в реакциях цепного окисления ненасыщенных жирнокислотных цепей липидов биологических мембран и липопротеи-нов плазмы крови.
В качестве третичных можно рассматривать радикалы, которые образуются при действии вторичных радикалов на молекулы антиоксидантов и других легкоокисляющихся соединений.
Согласно современным представлениям, АФК выполняют функции вторичных мессенджеров в процессах жизнедеятельности клеток. В целом, процессы свободнорадикального окисления следует рассматривать как необходимое метаболическое звено в окислительном фосфорилиро-вании, биосинтезе простагландинов и нуклеиновых кислот, иммунных реакциях [5,6].
С другой стороны, свободнорадикальное окисление является универсальным патофизиологическим феноменом при многих патологических состояниях [1-6]. Необходимо отметить принципиальную разницу в биологическом действии первичных и вторичных радикалов. Если первичные радикалы специально вырабатываются в организме и выполняют жизненно важные функции: перенос электронов в дыхательной цепи (убихинон), защиты от микроорагизмов (супероксидный анион-радикал); регуляции кровотока и давления (окись азота); то вторичные радикалы оказывают цитотоксическое действие и, как правило, наносят организму значительный вред [3,5,6].
Патологическое действие СР связано, прежде всего, с их влиянием на структурное состояние и функцию биологических мембран [2-6]. При появлении в мембране СР вероятность его взаимодействия с жирной кислотой нарастает по мере увеличения в ней числа кратных связей [3,5,6]. Поскольку ненасыщенные жирные кислоты обеспечивают мембранам большую подвижность, то их изменения в процессе перекисного окисления липидов (ПОЛ) приводят к увеличению вязкости мембран, частичной потере барьерной функции; нарушению проницаемости, гормон-рецепторных взаимодействий и трансдукции сигналов в клетку [1,5,6].
Также в настоящее время не вызывает сомнения факт изменения под действием АФК функциональных свойств ферментов, углеводов и нуклеиновых кислот. Окислительная модификация белков, ДНК и РНК активными формами кислорода сопровождается потерей активности, повреждением четвертичной структуры и кофакторов, образованием агрегатов и фрагментацией, изменением аминокислотного состава [2,5,6].
Токсическое действие АФК предотвращается за счет функционирования многокомпонентной саморегулирующейся системы антиоксидант-ной защиты, в которую входит ряд специализированных ферментов, проявляющих специфичность в отношении определенных АФК, и низкомолекулярных биоантиоксидантов [4,6].
Антиоксидантная система (АОС) включает [6]:
1. энзиматические перехватчики, такие как супероксиддисмутазу (СОД), каталазу и глутатионпероксидазу (ГПО), которые конвертируют Н2О2 до воды. ГПО и глутатион-Б-трансфераза (ГБТ) участвуют в детоксикации гидропероксидов жирных кислот.
2. гидрофильные скэвенджеры радикалов - восстановленный глу-татион (ГБН), аскорбат, урат, тиолы (цистеин, эрготионеин).
3. липофильные перехватчики радикалов - токоферолы, флавоно-иды, каротиноиды, убихиноны, билирубин.
4. ферменты, осуществляющие восстановление окисленных низкомолекулярных биоантиоксидантов (глутатионредуктаза) или участвующие в поддержании в функционально активном состоянии белковых тиолов (тиоредоксинредуктаза).
5. ферменты, участвующие в поддержании внутриклеточного уровня восстановленных эквивалентов (глюкозо-6-фосфатдегидрогеназа, ка-
тализирующая образование
НАДФН в пентозофосфатном пути окисления глюкозы).
6. антиоксидантные белки (церулоплазмин, альбумин, фер-ритин, трансферрин, лактоферрин и др.), участвующие в хранении, транспорте и обезвреживании ионов металлов переменной валентности.
Клеточная АОС представлена семейством супероксиддисмутаз, глутатионпероксидаз и глутатион-Б-трансфераз, а также глутатион-редуктазой, найденных в цитоплазме, митохондриях и ядре; ка-талаза локализована в пероксисо-мах и цитоплазме [6].
Состав низкомолекулярных антиоксидантов также достаточно обширен: восстановленный глута-тион и аскорбиновая кислота находятся в водной фазе клетки, защищая компоненты цитозоля и матрикса митохондрий; токоферолы и каротиноиды - плазматическую и внутриклеточную мембраны [6].
АФК постоянно генерируются в водной фазе плазмы крови и других биологических жидкостей. О2- и Н2О2 могут образовываться ферментами активированных фагоцитирующих клеток, в продукцию О2-вовлечен и сосудистый эндотелий. Активированные нейтрофилы, кроме того, при участии миелопе-роксидазы генерируют внеклеточный гипохлорит [б].
Защита ферментов и белков, в частности, липопротеинов, присутствующих в плазме крови, осуществляется внеклеточной АОС. Эта антиоксидантная система характеризуется наличием антиокси-дантных ферментов и низкомолекулярных биоантиоксидантов и присутствует не только в плазме крови, но и в межклеточной, спинномозговой, синовиальной жидкостях и лимфе [6].
К высокомолекулярным соединениям, содержащимся в плазме крови и обладающим антиокси-дантной активностью, относятся
экстрацеллюлярная СОД, каталаза и ГПО, альбумины, церулоплазмин, трансферрин, лактоферрин, ферритин, гаптоглобин и гемопексин [6].
К внеклеточной неферментативной АОС в настоящее время относят ураты и билирубин - метаболиты, образующиеся при расщеплении пуриновых нуклеотидов и гема, а также витамины С, Е, А (каротины), поступающие в организм с пищей. Компоненты АОС работают в комплексе: ферментативная АОС осуществляет обезвреживание О2" и Н2О2, ингибиторы органических радикалов также участвуют в цепочке взаимопревращений, в результате которых образуется менее активная форма радикала: РОО? ??(токоферол)?? (аскорбат)_(урат)?. Целесообразность
существования таких взаимопревращений заключается в более гибкой регуляции и надежности гоместазирования свободнорадикальных процессов в клетке [6].
Увеличение содержания АФК в клетке приводит к развитию несостоятельности системы антиокислительной защиты, в первую очередь, за счет инактивации антиокслительных ферментов, что в свою очередь, может привести к истощению АОС и гибели клетки. В этом случае имеет место явление окислительного стресса, т.е. патологического состояния, при котором окислительные процессы превышают мощность антиокси-дантных защитных систем организма [3,4,5,6].
Таким образом, исходя из выше изложенного, проблема детального изучения биохимии и патогенеза свободнорадикальных процессов приобретает принципиальное значение в современном пушном звероводстве, т.к. оптимизация функционирования АОС и устранение дисбаланса АФК и продуктов ПОЛ возможна только, зная, какое звено (компонент) в наибольшей степени страдает в процессе окислительного стресса. В этой связи является актуальным и экономически обоснованным изучение влияния разных антиоксидантных препаратов на антиокислительную систему организма и, вместе с тем, на общее физиологическое состояние, иммунный статус и качество получаемого пушно-мехового сырья от клеточных пушных зверей.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Арсланова Д. Р., Воронова О. С., Генинг Т. П. Параметры системы «пе-рекисное окисление липидов - антиоксиданты» в эритроцитах и плазме животных с экспериментальными опухолями // Материалы 111-й Между-народ. науч.-практ. конф. молодых ученых : сб. науч. трудов. Ульяновск : УГСХА, 2010. С. 174-176.
Лазарева О. Н. Свободнорадикальные процессы и антиокислительные свойства молока и молочных продуктов : автореф. дис. ... канд. биол. наук. Омск, 2008. 22 с.
Расцветаев И. Е. Эффективность использования антиоксидантных препаратов в рационах молодняка норок : автореф. дис. ... канд. биол. наук. М., 2011. 24 с.
Салий И. С. Перекисные и антиперекисные механизмы повреждения и защиты печени при остром панкреатите : автореф. дис. ... канд. мед. Наук. Владикавказ, 2008. 21 с.
Федин А. И. Оксидантный стресс и применение антиоксидантов в неврологии // Атмосфера. Нервные болезни. 2002. № 1. С. 15-18.
Диагностика и лечение окислительного стресса при остром панкреатите / Д. В. Черданцев [и др.]. Красноярск, 2002. 148 с.
