Прооксидантная и антиоксидантная система

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ ХАРЬКОВСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. В. Н. Каразина Курсовая работа Прооксидантная и антиоксидантная система Авдеевой Екатерины Владимировны ХАРЬКОВ 2014

Содержание Введение

1. Активные формы кислорода

2. Типы окислительных реакций

3. Свободные радикалы

3.1 Супероксид-анион (радикал)

3.2 H₂O₂ (пироксид водорода)

3.3 OH (гидроксил, гидроксид — радикалы)

3.4 Гипохлорит-анион

4. Механизмы возникновения АФК

5. Функции АФК

6. Антиоксидантная система организма, факторы клеточной защиты

6.1 Высокомолекулярные соединения

6.1.1 Супероксиддисмутаза

6.1.2 Каталаза

6.1.3 Система глутатиона

6.1.4 Антиоксидантные ферменты крови

6.2 Низкомолекулярные соединения

6.2.1 Жирорастворимые антиоксиданты

6.2.2 Водорастворимые антиоксиданты Заключение Литература

Введение

Основной и почти единственный источник энергии в органическом мире наше планеты — свободная энергия Солнца, которая усваивается хлоропластами зеленых растений, расходуется на разделение водорода и кислорода в молекулах воды и в конечном счете на синтез органических соединений разной степени сложности. Эта же энергия заключена в химических связях сложных органических соединений в клетках животных и человека. Она частично освобождается в процессе окисления молекулярным кислородом — клеточного дыхания. За счет результате этого процесса, обратного по своей направленности фотосинтезу, полностью удовлетворяет энергетические потребности организма — обеспечивается поддержание, работа сократительных белков, активный транспорт белков через мембраны, все биосинтетические процессы. [2]

Мы не можем представить свою жизнь без кислорода. До появления фотосинтезирующих организмов атмосфера практически его не содержала. С их появлением кислород стал побочным продуктом их жизнедеятельности, который способствовал переходу к окислительной атмосфере и развитию аэробных организмов.

Однако вместе с преимуществом кислород принес новую опасность для организма. Молекулярный кислород, который обладает высокой реакционной способностью в основном состоянии, способен образовывать высокоактивные формы, способные наносить вред организму разрушая клеточные мембраны, снижая их прочность, вызывая набухание и разрушение митохондрий, вызывать структурно-функциональные нарушения ферментных систем дыхания.

В последние 10−15 лет проблема патогенеза заболеваний сердца, а также ряда других органов обогатилась раскрытием механизма повреждения клеточных структур. Основным фактором повреждения оказался кислород — тот самый кислород, из-за недостатка которого возникает гибель клеток. Выяснилось, что так называемые активные формы кислорода (АФК), имеющие неспаренный электрон, обладают биологическим эффектом, который в зависимости от концентрации АФК может быть регуляторным или токсическим. Соответственно пробудился интерес и к соединениям, которые в обычных условиях предотвращают токсическое действие АФК — антиоксидантам. Окислительный стресс играет важную, если не ключевую роль в патогенезе старения и широкого спектра сердечно-сосудистых заболеваний, в том числе кардиомиопатии, атеросклероза, ИБС, клапанных поражений и застойной сердечной недостаточности. В дальнейшем обзоре будут рассмотрены механизмы возникновения АФК, механизмы действия, функции и основные способы защиты организма.

1. Активные формы кислорода Активные формы кислорода химически очень агрессивны: они повреждают белки и ДНК и, главное, вызывают перекисное окисление липидов — самоподдерживающийся процесс, ведущий к тяжелому повреждению мембран.

К активным формам кислорода относятся супероксид (O₂), синглетный кислород, Н₂О₂ и радикал гидроксила (ОН). В организме человека и животных первичным АФК служит супероксид, возникающий при одноэлектронном восстановлении молекулярного кислорода. Супероксид превращается в Н₂О₂ под действием супероксиддисмугазы, а Н₂О₂ неферментативно дает ОН' в присутствии ионов Fe₂+ или Сu+. ОН' - сильнейший окислитель (редокс-потенциал около +1,35 В), способный разрушить практически любое органическое вещество биологического происхождения. Одноэлектронное восстановление кислорода в принципе возможно за счет окисления веществ с редокс-потенциалом ниже или равным -0,15 В (редокс-потенциал пероксид). Эволюцией были отобраны соединения имеющие высокий кинетический барьер реакции с О₂. Исключение составляют весьма реакционноспособные коферменты и простетические группы ферментов, действующие в начале и середине дыхательной цепи, в частности семихинон кофермента Q (CoQH). Будучи одноэлектронным переносчиком, CoQH, иногда, по-видимому, ошибается и передает электрон не своему естественному окислителю (цитохрому b1), а молекулярному кислороду.

Активные формы кислорода могут образовываться как в результате процесса «разобщения» на цитохроме Р-450, так и при окислении некоторых эндогенных субстратов. Функций активных форм кислорода, образующихся в процессе промоции канцерогенеза, несколько:

— стимуляция митоза,

— блокирование межклеточных коммуникаций, препятствующее апоптозу,

— освобождение из ферритина ионов железа, катализирующих образование гидроксирадикалов,

— высвобождение свободной арахидоновой кислоты из мембраны с последующим ее метаболизмом на цитохроме Р-450 с образованием высокоактивных метаболитов.

Имеющаяся информация указывает на то, что митогенный эффект и блокирование межклеточных коммуникаций при действии активных форм кислорода реализуется через общее звено посредством активации продукта гена c-src. Однако вопрос, каким образом происходит этот процесс активации, остается открытым [1]

2. Типы окислительных реакций Перенос электронов являющийся сущностью окислительно-восстановительных реакций, может происходить различными путями. Различают три основных типа.

— Реакции дегидрирования протекают без непосредственного участия кислорода. Перенос электронов в них осуществляется одновременно с переносом протонов, т. е. атомов водорода. Ферменты, осуществляющие реакцию дегидрирования, называются дегидрогеназы, различаются между собой по типу субстратов. Кофакторы дегидрогеназ — пиридин и флавиннуклеотиды.

— Реакция оксигеназного окисления осуществляется путем переноса электронов непосредственно на молекулу кислорода, прямого востановления последнего с участием ферментов оксидаз, активирующих водород. Кофакторы и простетические группы оксидаз — флавинадениннуклеотид, Fe₂+, Cu₂+, Mo₂+. Различают три вида оксидаз переносящих на кислород один, два или четыре электрона: а) тксантин оксидаза переносит один электрон с образованием супероксида О₂; б) ксидазы аминокислот переносят два электрона и образуют перииксьводорода Н₂О₂; в) наконец четыре электрона транспортируют на О₂ цитохромоксидаза и аскорбатоксилаза. При этом образуется вода.

— Реакции оксигеназного окисления представляют собой прямое внедрение одного или двух атомов кислорода в окисляемый субстрат. Реализуют этот процесс ферменты оксигеназы, активирующие кислород перед его внедрением в субстрат. Кофакторы реакции — НАД? Н, НАДФ? Н, тетрагидроптерин, восстановленные флавины. Различают монооксигеназы переносящие один атом водорода, и ди оксигеназы, внедряющие в субстрат два атома кислород.

В микросомах (шероховатом эндоплазматическом ретикулуе) гепатоцитов локализована особая электронно-транспортная цепь состоящая из ферментов свободного окисления. Она осуществляет превращение разнообразных ксенобиотиков и ряда метаболитов в полярные нетоксичные продукты, проявляющие гидрофильность, растворимость и в дальнейшем экскретируемые почками. Важнейшую роль метаболизации ксенобиотикови метаболитов играет реакция гидроксилирования, осуществляемая монооксигеназами. Входящими в микросомальный ферментный комплекс.

Микросомальный ферментный комплекс гепатоцитов в присутствии НАДФ? Н и кислорода гидроксилирует ароматические гидрофобные соединения (бензол, хлорбензол, анилин и т. п.) превращая их в соответствующие растворимые и малотоксичныефенолы. В окислении полиядерных ароматических соединений участвует гидроксилаза ароматических углеводов (ГАУ), идентифицированная как циохром Р-488. При взаимодействии монооксигеназ с субсирактами происходит не только гидроксилирование, но и образование эпоксидов, дигродилов. Как правило, под влияниемпеченочных мононуклеаз токсичность субстрата резко у меньшается в результате гидроксилирования. Однако существует опасность возникновения и весьма токсичных канцерогенов.

В процессе оксидазного и особенно оксигеназного окисления возникают высокореактивные медиаты радикалной природы. Эти радикальные продукты могут выступать в качестве активаторов образования АФК. [2]

3. Свободные радикалы Свободные радикалы — это молекулярные частицы, имеющие непарный электрон на внешней электронной оболочке и обладающие высокой реакционной способностью. Основные радикалы, образующиеся в клетках — это радикалы кислорода (супероксид и гидроксильный радикал), монооксид азкатализаторовота, радикалы ненасыщенных жирных кислот, радикалы, образующиеся в окислительно-восстановительных реакциях (например, убихинол). Радикалы образуются также при действии ультрафиолетовых лучей и в ходе метаболизма некоторых чужеродных соединений (ксенобиотиков). Основные виды радикалов образующихся в нашем организме приведены в таблице 1. [1]

В случае нарушения метаболизма АФК при разных патологических условиях и не контролированном увеличенном образовании свободных радикалов в организме, при так называемом оксидативном стрессе, происходит усиление процессов пероксидации липидов (ПОЛ), последствием чего является нарушение свойств биологических мембран и функционирования клеток. В норме процессы ПОЛ четко контролируются антиоксидантами системы организма, поэтому их интенсивность незначительна.

Процессы перекисного окисления липидов являются важной причиной накопления клеточных дефектов. Основным субстратом ПОЛ являются полиненасыщенные цепи жирных кислот (ПНЖК), входящих в состав клеточных мембран, а также липопротеинов. Их атака кислородными радикалами приводит к образованию гидрофобных радикалов, взаимодействующих друг с другом. [17]

Вначале окисления происходит атака сопряженных двойных связей ненасыщенных жирных кислот со стороны НО* и НО2*, что приводит к появлению липидных радикалов:

LH + НО -> H2O + L

кислород антиоксидантный фермент окисление Липидный радикал может реагировать с О₂ с образованием пероксильного радикала, который, в свою очередь, взаимодействует с новыми молекулами ненасыщенных жирных кислот и приводит к появлению липидных пероксидов, которые достаточно стабильны при температуре тела:

L* + O₂ -> LO₂*

LO₂* + LH ->LOOH + L*.

Скорость этих реакций зависит от активности антиоксидантной системы клетки. При взаимодействии с комплексами железа гидроперекиси липидов превращаются в активные радикалы, продолжающие цепь окисления липидов:

LOOH + Fe₂+ -> Fe (III) + OH- + LO*

LO* + LH ->LOH + L*.

Образующиеся липидные радикалы, а также малоновый диальдегид и диеновые конъюгаты, могут атаковать молекулы белков и нуклеиновых кислот. Альдегидные группы этих соединений образуют межмолекулярные сшивки, что сопровождается нарушением структуры макромолекул и дезорганизует их функционирование. Окисление липидов приводит к нарушению нормальной упаковки мембранного бислоя, что может вызвать повреждение и мембраносвязанных белков. Так, например, ПОЛ может приводить к инактивации мембранных рецепторов, а также таких ферментов, как глюкозо- 6-фосфатаза и Na/K-АТФаза, принимающая непосредственное участие в поддержании ионного гомеостаза клетки. В митохондриях могут повреждаться как ферменты матрикса, так и компоненты дыхательной цепи. Поврежденные мембраны утрачивают энергетический потенциал, электровозбудимую функцию, контроль за ионными потоками и медиаторными системами, возникают патологические (воспалительные, нейродегенеративные, злокачественные) изменения в тканях, что, в конце концов, приводит организм к гибели. Пероксинитрит, индуцирует процессы ПОЛ в мембранах и липопротеинах сыворотки крови, что усиливает их захват макрофагами и лежит в основе атерогенеза.

Химические соединения и физические воздействия, влияющие на скорость перекисного окисления липидов, принято делить на прооксиданты (усиливают процессы перекисного окисления) и антиоксиданты (тормозят процессы перекисного окисления липидов). К оксидантам в живой клетке относятся высокие концентрации кислорода (например, при длительной гипербарической оксигенации больного), ферментные системы, генерирующие супероксидные радикалы (например, ксантиноксидазы, ферменты плазматической мембраны фагоцитов и др.), ионы двухвалентного железа. Хотя сам процесс перекисного окисления развивается в виде цепных реакций в липидной фазе мембран и липопротеинов, начальные (а возможно, и промежуточные) стадии этой сложной системы реакций протекают в водной фазе. Часть защитных систем клетки также локализуется в липидной фазе, а часть — в водной фазе. В зависимости от этого можно говорить о водорастворимых и гидрофобных антиоксидантах. 1]

Таблица 1. Свободные радикалы, образующиеся в клетках живого организма

3.1 Супероксид-анион (радикал) Ключевой активной формой кислорода является супероксид анион — радикал (О₂), образующейся при присоединении одного электрона к молекуле кислорода в основном состоянии. Супероксид радикал сам по себе обладает малой реакционной способностью. Он может действовать как окислитель (акцептор электрона), как восстановитель (донор электрона). В водной среде может спонтанно дисмутировать (один атом может выступать в качестве акцептора электрона, а другой в качестве донора).

Время его жизни в биологических субстратах составляет около 10−6 с. Супероксид анион-радикал представляет опасность тем, что способен повреждать белки, содержащие железо-серные кластеры, такие как аконитаза, сукцинатдегидрогеназа и НАДН-убихинон оксидоредуктаза.

При кислых значениях рН супероксид анион-радикал может протонироваться с образованием более реакционноспособного пероксильного радикала (НО₂), представляющего собой слабую кислоту.

3.2 H₂O₂ (пироксид водорода) Присоединение двух электронов к молекуле кислорода или одного электрона к супероксид-аниону приводит к образованию перекиси водорода, которая является окислителем умеренной силы. Однако из перекиси водорода может образовываться гидроксид-радикал (ОН.), который является весьма сильным окислителем. ОН радикал может образовываться при трехэлектронном восстановлении кислорода или при взаимодействии перекиси водорода с супероксид радикал — анионом — реакция Габера-Вейса. В процессе реакции генерируется OH (гидроксил-радикал) из H2O2 (пероксида водорода) и супероксида (O₂). Реакция может возникать в клетке и вызывать окислительный стресс. Реакция проходит довольно медленно, однако катализируется ионами железа. [1]

В обычных условиях эта реакция протекает достаточно слабо. Токсичность перекиси водорода резко возрастает в присутствии металлов переменной валентности, что объясняется ускорением образования ОН.

3.3 OH (гидроксил, гидроксид — радикалы.)

Гидроксид-радикал практически не участвует в образовании других АФК, но является важным фактором окислительной модификации многих клеточных структур. Он может окислять молекулы белков и липидов, особенно активно атакуя мембранные липиды, которые содержат ненасыщенные двойные связи. Этот процесс приводит к образованию липидных гидроперекисей и изменению свойств клеточных мембран. Гидроксид-радикал вызывает разрыв связей в молекуле ДНК, что может вызывать глубокие повреждения генетического аппарата клеток. Константы скоростей его взаимодействия с большинством биологически важных молекул близки к диффузионным.

Вследствие высокой химической активности гидроксид-радикала, время его жизни в клетке составляет 100 нс, а расстояние, которое он может пройти от места образования до места взаимодействия с мишенью ~100 нм.

3.4 Гипохлорит-анион Гипохлорит-анион (OCl-), представляющий собой активную форму хлора и условно относимый к АФК, так как он обладает сходными свойствами окислителя. В ходе миелопероксидазной реакции Н₂О₂ ферментативно превращается в гипохлорит-анион, который является мощным окислителем. Гипохлорит — анион опасен сам по себе, а также может взаимодействовать с О₂ с образованием гидроксид-радикала и с пероксидомю водорода с образованием синглетного кислорода. [6]

К радикальным компонентам клетки относится NO-радикал, образуемый ферментом NO-синтаза и участвующий в образовании пероксинитрита при взаимодействии с супероксид. [8]

4. Механизмы возникновения АФК Молекулярный кислород в основном своем триплетном состоянии имеет два неспаренный электрона с одинаково ориентированными спинами, занимающих самостоятельные внешние орбитали. Каждая из этих орбиталей может принять ещё один электрон. Полное восстановление О₂ в Н₂О требует присоединения четырех электронов. В большинстве случаев в организме восстановление кислорода происходит поэтапно, с переносом одного электрона на каждом этапе.

При присоединении первого электрона образуется супероксидный анион 2О, который имеет на внешней орбитали неспаренный электрон. Такие атомы называются свободными радикалами. Супероксид, получая ещё одни электрон превращается в пероксид водорода Н₂О₂, присоединение третьего приводит к образованию молекулы воды и гидроксильного радикал ОН. Четвертый электрон превращает гидроксил в воду. [3]

Таков нормальный механизм обезвреживания кислорода, общий для всех процессов в организме. Но по некоторым причинам может произойти сбой в этой системе (либо запуск определенной программы, такой как апоптоз), что приведет к нарушению присоединения электрона и как следствие появление свободный радикалов (АФК). По некоторым оценкам, даже в физиологически оптимальных условиях примерно 2−5% проходящих по ЭТЦ электронов идут на образование супероксидных радикалов. Кроме того, в определенных условиях (например, при окислении пиридиннуклеотидов и полифенолов) при физиологическом значении рН некоторые апопластные пероксидазы, проявляя свою оксидазную функцию, способны к образованию супероксидного анион-радикала.

Синглетный кислород (О₂) образуется в хлоропластах в результате взаимодействия молекулярного кислорода с хлорофиллом, возбужденным квантом света и находящимся в триплетном состоянии. Энергия, необходимая для этого перехода, составляет примерно 22 ккал/моль. В результате поглощения избыточной энергии (что часто имеет место в реальных условиях) происходит обращение спина одного электрона и формирование синглетного кислорода. Образование супероксидного анион-радикала (О₂) происходит в фотосистеме I (ФС I) и II (ФС II) хлоропластов и на комплексах дыхательной цепи в митохондриях, а также в ряде реакций, протекающих в пероксисомах (при окислении ксантина ксантиноксидазой). В ФС I появление супероксидного радикала происходит в реакции Мёллера и связано с работой 4Fe-4S-кластеров, ферредоксина и/или ферредоксин-НАДФН-редуктазы. Около 10−25% всего нециклического электронного потока может идти на образование супероксид-радикала. Генерация анион-радикала, кроме того, возможна на уровне реакционного центра ФС II, предположительно в QА и QВ сайтах. В митохондриях образование О₂ — сопряжено с функционированием дыхательной электрон-транспортной цепи (ЭТЦ) во внутренней митохондриальной мембране и захватом молекулярным кислородом электронов с гемов.

Существует ещё несколько механизмов возникновения свободных радикалов. Например, в процессе функционирования цитохрома Р-450 в микросомах образуется такой тип АФК как пероксид водорода. Принято считать, что его образование связано с тем, что в процессе цитохром Р-450-зависимого окислительного цикла образующийся тройственный комплекс, включающий цитохром Р-450, субстрат и ион супероксида (оксицитохром Р-450), может, помимо основного пути превращения — внедрения кислорода в структуру субстрата, — распадаться с образованием исходного комплекса субстрат-цитохром Р-450 и высвобождением супероксида (процесс «разобщения») с последующей его дисмутацией, с образованием пероксида водорода. В присутствии ионов железа пероксид водорода в результате одноэлектронного переноса может восстанавливаться до гидроксил-радикала — сильнейшего окислителя. Показано также, что высвобождение железа из ферритина — белка, являющегося основным депо железа в клетке, происходит в результате образования супероксида при функционировании цитохрома Р-450. [1]

Таким образом, супероксид, образующийся при «разобщении» на цитохроме Р-450, может быть источником пероксида водорода и генератором ионов железа из ферритина-компонентов, необходимых для образования различных активных форм кислорода. Действительно, образование супероксида, пероксида водорода и гидроксил радикала показано в реконструированных ферментных системах с использованием различных изоформ цитохрома Р-450.

Кроме того АФК в организме могут образовываться и ходе реакций самопроизвольного окисления ряда веществ. Одним из важнейших примеров является окисление гемоглобина в метгемоглобин, при котором образуется супероксид. При нормальном значении ph и концентрации кислорода стабильной формой железа является Fe3+. Ион Fe2+ легко окисляется в Fe3+. Однако в молекуле гемоглобина эта реакция существенно заторможена благодаря белковой части в окружении гема. И все же с большей скоростью происходит окисление оксигемоглобина кислородом с образованием метгемоглобина.

Hb (Fe₂+) O₂=Hb (Fe₃+) +O₂;

Образующийся супероксид кислорода способен окислять оксигемоглобин.

Hb (Fe₂+) O₂+O₂ — + 2H+= Hb (Fe₃+) +O₂+ H₂O₂

Пероксид водорода — тоже окислитель оксигемоглобина.

Hb (Fe₂+) O₂+H₂O₂= Hb (Fe₃+) +OHрадикал+OH;

Гидроксильный радикал окисляет гемоглобин.

Hb (Fe₂+) +OH= Hb (Fe₃+)

Но, тем не менее, общепринято, что дыхательная цепь митохондрий является основным источником АФК в большинстве клеток. Вместе с тем представляет интерес выяснение, какие именно компоненты дыхательной цепи и в каких условиях являются основными АФК — генераторами. Исходя из стандартных редокс-потенциалов окислительно-восстановительных центров различных Комплексов дыхательной цепи, а также на основе экспериментальных данных были выделены три основных источника АФК: НАДН — убихинон оксидоредуктаза, сукцинат-убихинон оксидоредуктаза и убихинол-цитохром с оксидо-редуктаза.

Не существует единого мнения по поводу того, в каких именно участках дыхательной цепи происходит образование АФК и каков вклад каждого из них в этот процесс. Теоретически одноэлектронное восстановление кислорода может происходить в любом из редокс-центров Комплекса I, а также в высокопотенциальных редокс-центрах Комплексов 2 и 3. По мнению большинства исследователей, основным АФК-генератором в дыхательной цепи является Комплекс I. Однако ряд авторов полагает, что Комплекс III вносит, по крайней мере, такой же вклад в образование АФК. Существует также мнение, что заметным источником АФК может служить также Комплекс II. На сегодняшний день признается, что все три комплекса образуют АФК.

5. Функции АФК В тканях аэробных организмов в процессе метаболизма постоянно образуются продукты неполного восстановления кислорода. Активные формы кислорода и радикалы синтез в организме, выполняют не только вредные, но и множество полезных для клетки функций. Так, образование супероксид-аниона и гипохлорита клетками иммунной системы используется организмом при защите от инфекций и других чужеродных факторов. Для некоторых тканей, в частности, для мозга, характерен повышенный синтез простагландинов, тромбоксанов и лейкотриенов. Этот процесс требует участия супероксид-аниона, взаимодействующего с другим компонентом этой системы, арахидоновой кислотой — соединением, высвобождающимся из мембранных фосфолипидов в ходе индуцируемого АФК перекисного окисления липидов.

АФК активно участвуют в процессах передачи клеточного сигнала. Так, например, свободные радикалы, которые образуются в цитозоле клетки в ответ на стимуляцию факторами роста, участвуют в регуляции пролиферации. Имеется много публикаций, свидетельствующих, что активные формы кислорода стимулируют деление различных типов клеток. [1, 3]

Механизм, по которому активные формы кислорода участвуют в передаче митотического сигнала, неизвестен. Возможно, что АФК могут активировать такие ферменты, как митоген-активируемую киназу p38, что, в свою очередь, приводит к активации транскрипционного фактора HIF-1 и экспрессии соответствующих генов. Показано, что они включают каскад реакций, которые передают митотический сигнал при воздействии «физиологических» агентов, таких как факторы роста: активируют в клетке различные транскрипционные факторы, но наиболее эффективно — продукт гена c-jun и ядерный транскрипционный фактор NF-kB. Свободные радикалы обладают активностью, модулирующей транскрипционные факторы, как NF-kB и активирующий белок-1 (AP-1). В случае NF-kB показано, что он становится транскрипционно активным после того, как происходит опосредованная АФК деградация IkB белка, ингибирующего NF-kB. Также показана роль АФК в качестве вторичных мессенджеров в сигнальных каскадах, запускаемых такими факторами как TGF-b1, PDGF, ATII, FGF-2 и эндотелин.

Еще одной мишенью АФК может являться Na/K-АТФаза, белок, отвечающий за электрогенный транспорт ионов калия и натрия через клеточную мембрану. В нормальных условиях нейрональная Na/K-АТФаза потребляет от 15% до 40% энергии клетки, направляя ее на поддержание ионных градиентов. Избыточная активация глутаматных рецепторов и повышение уровня АФК приводит к обратимому ингибированию фермента. Известно разнонаправленное влияние глутаматных рецепторов первой и третьей групп на активность Na/K-АТФазы. Так, АФК усиливают ингибирующее влияние NMDA-рецепторов на активность Na/K-АТФазы, а mGluI предотвращают ингибирование ее NMDA — рецепторами. 20]

6. Антиоксидантная система организма, факторы клеточной защиты Защита от избытка кислорода биологических структур, прежде всего наиболее уязвимых мембранных образований, особенно липидный (фосфолипидных) решилась путем создания специализированных присособлений — антиокислительных механизмов, обеспечивающих «отведение» окисителной энергии свободного кислорода в безопасное русло. К этим приспособлениям относятся специализироанные ферментные системы — антиокислительные ферменты, а также химические буферные системы, способные поддерживать прооксидантно-антиоксидантное равновесие, проаксидантно-антиоксидантный гомеостаз во внутриклеточных и вне клеточных и межклеточных жидкостях и липидных структурах мембран. [1, 19]

Эффекторные компоненты антиоксидантной системы называются антиоксидантами. Число эндогенных соединений, относимых к антиоксидантам, постоянно возрастает. Нет единой универсальной классификации антиоксидантов.

Некоторыми авторами предпринята попытка классификации антиоксидантов с точки зрения их ММ на 2 группы.

Группа Высокомолекулярные соединения — ферменты антиоксидантной защиты, а также белки, способные связывать ионы Fe и Cu, являю-щиеся катализаторами свободнорадикальных процессов. Антиоксидантные ферменты (СОД, церулоплазмин, каталаза, глутатионзависимые ферменты) обеспечивают комплексную антирадикальную защиту биополимеров. Для ферментативных антиоксидантов характерны высокая специфичность, строго определенная органная и клеточная локализация, а также использование в качестве катализаторов металлов Cu, Fe, Mn, Zn, Se.

К числу белков, обладающих способностью связывать металлы с переменной валентностью и соответственно обладающих антиоксидантными свойствами, относят альбумины крови, трансферрин, ферритин, лактоферрин. Многие из них весьма эффективны в ингибировании свободнорадикальных процессов, но слабо проникают через мембраны и тканевые барьеры.

Группа Низкомолекулярные антиоксиданты: некоторые аминокислоты, полиамины, мочевина, мочевая кислота, глутатион, аскорбиновая кислота, билирубин, токоферол, витамины группы A, K, P.

При этом можно говорить о своеобразных антиоксидантных цепях переноса электронов, эффективность функционирования которых определяется работой всех компонентов.

6.1 Высокомолекулярные соединения

6.1.1 Супероксиддисмутаза СОД — пероксид: пероксид оксидоредуктаза. КФ 1.15.1.1. Катализирует реакцию О₂-+ О₂-+2Н+ О₂+Н₂О СОД инактивирует супероксиданионрадикал, субстратами действия глутатионпероксидазы и каталазы являются пероксид водорода и гидроперекиси липидов.

Полагают, что уровень активности внутриклеточных ферментативных антиоксидантных систем генетически детерминирован, причем избыточное накопление в клетках супероксидного анион-радикала или перекиси водорода сопровождается депрессией участков генома, ответственного за активность внутриклеточных ферментативных антиоксидантных систем. [20]

Обнаружено несколько изоэнзимных форм СОД, отличающихся строением активного центра. У эукариотов Cu-, Zn-содержащая СОД локализуется в основном в цитозоле эритроцитов, в межмембранном пространстве митохондрий, в цитоплазме и ядре нервных клеток. Фермент чувствителен к цианиду, представляет собой металлопротеид с ММ 32 000;33000, состоит из двух субъединиц, каждая из которых связывает 1 атом Cu и 1 атом Zn. СОД локализована в митохондриях печени и миокарда эукариот, вблизи анионных каналов. Для микроорганизмов характерны железосодержащий и марганецсодержащий изоферменты. Mn-СОД состоит из 4 субъединиц с ММ 20 000 каждая, механизм действия энзима, вероятно, подобен действию Cu-, Zn-СОД-фермента, то есть металл в активном центре попеременно меняет свою валентность: Mn3+, Mn2+. Супероксиддисмутазную активность могут проявлять комплексы меди с аминокислотами и пептидами, а также многие медьсодержащие белки. [4, 6]

Описанные выше изоферментные формы СОД являются внутриклеточными ферментами, в межклеточной жидкости (плазма крови, лимфа, синовиальная жидкость) они разрушаются в течение 5−10 минут. В то же время обнаружена экстрацеллюлярная высокомолекулярная форма СОД (ММ 120 000 Д), хорошо связывающаяся гепаринсульфатом гликокаликса эндотелиоцитов, локально защищает их от свободных радикалов. Экстрацеллюлярная СОД не связывается с лейкоцитами и эритроцитами, не участвует в регуляции продукции активных форм O₂ гранулоцитами в процессе киллинга.

СОД существенно ускоряет дисмутации супероксиданионрадикала. Однако, несмотря на высокую специфичность фермента, при определенных условиях Cu-СОД может взаимодействовать с H₂O₂ и выступать в качестве прооксиданта. В последние годы были синтезированы модифицированные препараты СОД и каталазы, ассоциированные с иммуноглобулинами, сывороточным альбумином, высокомолекулярными спиртами, в частности, полиэтиленгликолями, что обеспечивало стабильность ферментов и длительность их циркуляции в крови. Подобные ассоциированные формы фермента нашли применение в эксперименте при эндотоксикозе, инфаркте миокарда, региональной ишемии, ожогах кожи, а также при стрессорных и воспалительных повреждениях тканей.

Церулоплазмин или голубая феррооксидаза — гликопротеид сыворотки крови, образующийся в печени, катализирует реакцию:

Fe₂+ + 4H+ O₂ — > 4Fe₃+ + H₂O

Он способствует окислению полиаминов, полифенолов, аскорбиновой кислоты, возможно участвует в транспорте меди. Прямая антиоксидантная функция определяется супероксиддисмутазной и ферриоксидазной активностью, а непрямые антиоксидантные свойства связаны с окислением Fe2+ и аскорбината, потенциальных источников супероксидного анион-радикала. Это основной реактант острой фазы воспаления.

Как указывалось, в процессе дисмутации супероксидного анион-радикала образуется H₂O₂, восстанавливаемая до H2O в основном каталазой и глутатионпероксидазой. [1, 2]

6.1.2 Каталаза Каталаза — пероксид водорода: пероксидводорода оксидоредуктаза КФ 1.11.1.6 — оксидоредуктаза с молекулярной массой около 250 кД. Это — двухкомпонентный фермент, состоящий из белка и соединенной с ним простетической группы, последняя содержит гематин. Установлено, что каталаза содержит 0,09% железа, т. е. 4 атома железа на 1 молекулу фермента. Оптимум действия каталазы при рН 6,5; в более кислых и щелочных средах активность уменьшается.

Каталаза катализирует дисмутацию Н₂О₂ до Н₂О и О₂:

2Н₂О₂>2Н₂О+О₂

Процесс осуществляется в 2 этапа:

F

е2±каталаза + 2Н₂О₂ > окисленная каталаза;

окисленная каталаза + Н₂О₂ > Fе₃±каталаза + 2Н₂О + О₂.

Один фермент способен вызывать распад 6•106 молекул пероксида водорода в секунд.

Каталаза локализована преимущественно в пероксисомах и глиокисомах, специфическая изоформа обнаружена также в митохондриях, активность ее обнаружена и в хлоропластах растений. В окисленном состоянии каталаза может работать и как пероксидаза, катализируя окисление спиртов или альдегидов. Существенна также роль каталазы в снабжении кислородом тех участков тканей, куда доступ его в силу тех или иных причин затруднен. Биологическая роль каталазы тесным образом связана с нормальной функцией цитохромной системы. Активность каталазы варьирует в зависимости от источника получения фермента. Каталаза ингибируется сенильной кислотой, сероводородом, фторидами. Наиболее сильное торможение на активность каталазы оказывает нитрат-ион. [9, 11]

Каталаза — локализуется в основном в пероксисомах, частично — в микросомах и в меньшей мере — в цитозоле, максимальная концентрация каталазы обнаружена в эритроцитах. Полагают, что каталаза не имеет высокого сродства к H₂O₂ и не может эффективно обезвреживать это соединение при низких концентрациях, имеющихся в цитозоле. В пероксисомах, где концентрация H₂O₂ высока, каталаза активно разрушает ее.

При этом в окисленном состоянии каталаза работает как пероксидаза. Субстратами в пероксидазной реакции могут быть этанол, метанол, формиат, формальдегид и другие доноры водорода.

Следует отметить, что около 0,5% O₂, образующегося в результате разложения H₂O₂, возникает в возбужденном синглетном состоянии и таким образом в процессе разложения перекиси водорода вновь генерируются активные формы O₂.

Активности каталазы и СОД коррелируют между собой, что может быть связано с переключением потока электронов с одной цепи транспорта на другую. В этих условиях СОД и каталаза действуют как звенья одной системы утилизации O₂, размещенные в разных участках клетки. 4]

6.1.3 Система глутатиона Глутатион зависимая АО-система включает три глутатионзависимых фермента ГПО, ГР и ГТ. Центральный метаболит системы — трипептид глутатион, (GSH) — глютамилцистеинилглицин обладающий и собственной АО-активностью и функционирующий в качестве кофактора, донора водорода и субстрата с ферментами системы, а также СОД и каталазой.

Глутатион синтезируется в печени, откуда транспортируется в различные органы и ткани, обеспечивает восстановление дисульфидных групп белков, дигидроаскорбиновой кислоты, с участием глутатион-трансферазы образует конъюгаты в печени с электрофильными соединениями и последующим выведением их с мочой. [8, 10]

Глутатионредуктаза (ГР) — НАД (Ф)Н: окисленный глутатион оксидоредуктаза, КФ 1.6.4.2 катализирует реакцию:

2НАД (Ф)Н + GS — SG = 2НАД (Ф) + 2GSH

Центральное место этого фермента в метаболизме глутатиона и всей его системы связано с тем, что он осуществляет единственный известный механизм восстановления GSH из его окисленной формы GS — SG.

ГР — флавопротеин с простетической группой флавинадинуклеотидом; его молекула состоит из двух идентичных субъединиц с молекулярной массой 50−55 кДа, полость между которыми в ходе реакции занимает окисленный глутатион. На одном конце каждой субъединицы расположен кофермент флавинадениндинуклеотид, на другом — НАДФН-связывающие участки. Глутатионредуктаза эритроцитов человека (мол. масса 103 278 Да, 478 аминокислот на мономер) содержит по 30% б-спиралей и в-структур.

Восстановленные соединения например, НАД (Ф)Н, его обратимо инактивируют, а окисленный глутатион и феррицианид активируют.

ГР — классический цитозольный фермент всех эукариотических клеток. [7]

Глутатионпероксидаза — (ГПО) — глутатион: пероксид водорода оксидоредуктаза, КФ 1.11.1.9, катализирует реакцию:

2GSH + H₂O₂ > GS-SG + 2H₂O.

глутатионпероксидаза является Se-содержащим ферментом, около 70% ее локализовано в цитоплазме и около 30% - в митохондриях всех клеток млекопитающих. ГПО — белок с ММ 84 000−88 000, состоит из 4 идентичных субъединиц, каждая из которых включает 1 атом Se. [2]

ГПО катализирует реакцию восстановления гидроперекиси с помощью глутатиона, обладает широкой субстратной специфичностью по отношению к гидроперекисям, но абсолютно специфична к глутатиону. Сродство глутатионпероксидазы и H₂O₂ выше, чем у каталазы, поэтому первая более эффективно работает при низких концентрациях субстрата, в то же время в защите клеток от окислительного стресса, вызванного высокими концентрациями H₂O₂. Последнее особенно четко продемонстрировано на эндотелиальных клетках.

В клетках млекопитающих, кроме S-зависимой ГПО, выявлена ГПО без S с ММ 39 000−46 000, катализирующая восстановление гидроперекисей органических соединений в том числе и полиненасыщенных жирных кислот, но ее эффективность в отношении H₂O₂ чрезвычайно низка.

Стресс через адренергические рецепторы, цАМФ и протеинкиназу стимулирует активность ГПО.

Бесселеновая глутатионпероксидаза локализована в митохондриальных мембранах печени, почек, сердца, в то время как селеновая — в эритроцитах.

ГПО принадлежит активная роль в защите лизосомальных мембран от перекисного окисления.

ГПО элиминирует перекиси стеринов и нуклеиновых кислот, является адаптивным ферментом, активность которого регулируется продуктами липопероксидации и активными формами O₂. Важным компонентом антиоксидантной системы является глутатионтрансфераза, ингибирующая инициацию ПОЛ и обезвреживающая токсические метаболиты ПОЛ. Фермент активируется через цАМФ. Тканевая ГПО, по мнению ряда авторов, представляет собой изоформу глутатионтрансферазы. [10, 6]

Глутатионтрасфераза (ГТ) — RX: глютатион S-трасфераза КФ 2.5.1.18 катализирует реакции типа: RX +GSH HX + GS — SG.

ГТ это семейство ферментов с полифункциональной активностью, осуществляющим главным образом детоксикацию разных ксенобиотиков в том числе пероксидов. Е — S — ГТ разрушают органичкские (липидные) пероксиды. Изоформ ГТ насчитывает не меньше 11 видов. [2]

ГТ осуществляет 4 основных типа реакций:

1) Присоединение к субстрату полной молекулы глутатиона:

R + GSH = HRSG

2) нуклеофильное замещение:

RX + GSH = HX + SG

уходящей группой в этой реакции может быть галоген NO-2, HSON-, RO-, и др.

3) восстановление органических пероксидов (гидропероксидов жирных кислот, кумена) до соответствующих спиртов:

2GSH + ROOH = ROH + GSSG + H₂O

Эту активность глутатионтрансферазы рассматривают как неселеновую глутатионпероксидазу

4) изомеризация (стероидов, простагландинов) В реакциях первого и второго типа образуются тиоэфиры (конъюгаты), а глутатион теряется. В реакциях третьего типа образуется GS-SG (окисленный глутатион), который восстанавливается глутатионредуктазой. В реакциях четвертого типу GSH не используется и работает как кофермент.

Любое соединение, обладающее достатчно электрофильным центром, может стать субстратом ГТ.

Различают ГТ, которые взаимодействуют с катионами (в печени, кишечнике, почках) и анионами (головной мозг, селезенка, легкие, плацента, эритроциты). В зависимости от субстратной специфичности также различают ГТ, которая взаимодействует с эпоксидами, алкенами, алкилами, алканами, арилами, энтеротоксинами. Индукторами ГТ являются фенобарбитал, 3-метилхолантрен, 3,4-бенз (а)пирен, а также ионол бутилоксианидозол, катехоломины, ц АМФ. Максимальная концентрация ГТ найдена в печени при оптимуме рН=7,5. В основном ГТ локализированы в цитозоле и эндоплазматическом ретикуллуме, но встречается в ядрах и митохондриях. [17, 20]

6.1.4 Антиокислительные ферменты крови Церулоплазмин (ЦП) — многофункциональный медсодержащий белок сыворотки крови (б2-глобулиновой фракции), является гликопротеином. Являясь главным внеклеточным антиоксидантом крови, ингибирует ПОЛ до 50% за счет перехвата и инактивации супероксидного радикала (О₂), иными словами, ЦП в этом его качестве выступает как внеклеточная СОД. Действуя как антиоксидант, оказывает мощное противовоспалительное действие. Он осуществляет транспорт меди, доставляя ее в ткани для синтеза цитохром-С-оксидазы Cu-, Zn-СОДи других ферментов, участвует в регуляции биогенных аминов и регуляции их функций, является стимулятором кроветворения и регулятором функций крови. Синтезируется в крови в гепатоцитах, на мембранно-связанныхполисомах. Его катаболизм осуществляется в лизосомах гепатоцитов. ЦП способен к спонтанному протеолизу с образованием каталитически активных фрагментов. ЦП выступает как поли субстратная оксидаза катехаломиови других биогенных аминов в крови и в тканях особенно в ЦНС.

Особо важную роль ЦП играеткак антиоксидантперехватчик О₂ в очагах воспаления, где фагоцитирующие клеткивыделяют массу активныхформ кислорода.

АО-активность ЦП в качестве внеклеточного аналога СОД обуславливает его важную роль в поддержании прооксиданто-антоксиднтного гомеостаза в условиях окислиельного стресса любой этиологии. [2, 3]

Трансферрин (ТФ) — белок сыворотки крови относящийся кглобулиновой фракции, с ММ 77 кДа, железосодержащий, функционирующий в тесной связи с ЦП.

ТФ функционирует в крови как оксидаза (феро-О-оксидоредуктаза), КФ 1.16.3.1, захватывает из тканей в депо и окисляет Fe₂+ в Fe₃+ путем 4-электронного переносана О₂ с образованием воды:

4Fe₂++O₂+4H+ 4Fe₃++2H₂O

и предотвращая не ферментативную реакцию Fe₂++O₂ Fe₃++O₂ с образованием супероксидного радикала. Fe₃+ захватывается ТФ, основная физиологическая функция которого как раз состоит в транспорте железав костный мозг. Здесь он включается в структуру синтезируемого гема и входит в состав гемоглобина. ТФ вместе ЦП образуют прооксидантно-антиоксидантную буферную систему крови, участвующую в подержании окислительного гомеостаза. В этой системе ЦП играет роль восстановленного члена — антиоксиданта, а ТФ выполняет прооксидантную функцию. Поэтому соотношение в крови ЦП/ТФ — довольно точный критерий окислительного гомеостаза. [2, 3]

6.2 Низкомолекулярные соединения

6.2.1 Жирорастворимые антоксиданты Жирорастворимые антоксиданты являются третей линией защиты, которые обладают антирадикальной и антипероксоной активностью, и находятся там, где располагаются субстраты-мишени атаки свободных радикалов и пероксидов. Это, прежде всего биологические мембраны, мишенями в них являются полиненсыщенные жирные кислоты (линолевая, линоленовая, арахидоновая). Поэтому непосредственно в структуры биологических мембран встроены жирорастворимые АО — токоферолы, убихионы, препараты витамина А, каратиноиды. [12]

Важную роль играеттокоферол.

Токоферол (Витамин Е) наиболее распространённый антиоксидант в природе — является липофильной молекулой, которая состоит из бензольго ядра с гидроксильной группой, способной инактивировать свободные радикалы непосредственно в гидрофобном слое мембран и таким образом предотвращать развитие цепи перекисного окисления, и боковой фитольной цепи, осуществляющей взаимодействие молекулы токоферолас мембранными структурами. Существует предположение, что углеводородная фитольная цепь токоферола может играть роль своеобразного канала, по которому свободно радикальные центры эстафетным путем покидают гидрофобную зону мембраны. Различают 8 типов токоферолов, но б-токоферол наиболее активен.

Токоферол выполняет несколько функций, дающих в совокупности АО-эффект. Он взаимодействует с гидроксильным радикалом ОН, наиболее сильнодействующим и короткоживущим из активных форм кислорода. Токферол обладаеттушащим действием по отношению к синглетному ксороду, акцептирует также супероксид О₂ и ингибирует липидные радикалы структуры R и ROO радикалы аминокислот, защищает от токсического действия озона, блокируя порождаемые им радикальные реакции.

Витамин Е отдаёт атом водорода свободному радикалу пероксида липида (ROO), восстанавливая его до гидропероксида (ROOH) и таким образом останавливает развитие ПОЛ. [14, 16 15]

Убихинон — кофермент Q, подобно б-токоферол жирорастворим и обладает АОактивностью, образуя окислително-восстановительную буферную систему убихинол — убихинон

Кофермент Q принимает участие в реакциях окислительного фосфорилирования, является компонентом цепи переноса электронов в митохондриях. Ингибиторы работы убихинона останавливают реакции окислительного фосфорилирования.

Кофермент Q является компонентом цепи переноса электронов, принимает участие в переносе электронов с NADH-дегидрогеназного комплекса (комплекс I) и сукцинатдегидрогеназного комплекса (II) на комплекс III, и участвует таким образом в синтезе АТФ.

Также кофермент Q является антиоксидантом и, в отличие от других антиоксидантов, регенерируется организмом. Кроме того, кофермент Q восстанавливает антиоксидантную активность витамина Е — б-токоферола.

Антиоксидантное действие кофермента Q обусловлено главным образом его восстановленной формой (CoQH2). Активность восстановленной формы кофермента Q на три порядка выше невосстановленной. Реакцию нейтрализации свободных радикалов восстановленным коферментом Q можно записать следующим образом 2LOO + CoQH₂ > 2LООН + CoQ. [19, 16]

Витамимн A — группа близких по химическому строению веществ, которая включает ретинол (витамин A1, аксерофтол) и другие ретиноиды, обладающие сходной биологической активностью: дегидроретинол (витамин A2), ретиналь (ретинен, альдегид витамина A1) и ретиноевую кислоту. К провитаминамA относятся каротиноиды, которые являются метаболическими предшественниками витамина A; наиболее важным среди них является в-каротин. Ретиноиды содержатся в продуктах животного происхождения, а каротиноиды— растительных. Все эти вещества хорошо растворимы в неполярных органических растворителях (например, в маслах) и плохо растворимы в воде. Витамин, А депонируется в печени, может накапливаться в тканях. При передозировке проявляет токсичность. [16]

Витамин, А и каратиноиды, участвуют в ОА-защите любых биологических мембран от поврежения активными формами кислорода в частности О2, синглетным кислородом, пероксидными радикалами, участвуют в регуляции пероксомального окисления.

На микросомальное окисление — как НАДФН-зависимое, так и аскорбатзависимое — ретинол и ретииновая кислота действуют ингибировано. Подобно другим биоантиоксидантам витамин, А и каратиноиды физиологически взаимодействуют с препаратами сходногодействия, взаимно усиливают и пролонгируютсвои биологические эффекты.

Важную роль в антиоксидантной защите играют карнозин и его производные. Как известно, карнозин является природным дипептидом, способным метаболизироваться в организме человека и животных, обладает стабилизирующим эффектом в отношении pH среды, а также способностью взаимодействия с OH, супероксиданионрадикалом и гипохлориданионом с последующей их инактивацией. Карнозин регулирует за счет антиоксидантных свойств поведенческие реакции. [15]

6.2.2 Водорастворимые антиоксиданты Водные среды организма представляют собой естественную и вездесущую матрицу жизненных процессов. Присутствие в жидкостных средах организма легкоокисляющихся липидных образований приводят к сдвигу гомеостатического равновесия в направлении интенсификации окислительных, деструктивных в своей основе процессов.

Поэтому в организме существуют специализированные антиоксидантные системы, ответственные за стабильность прооксидантон-антиоксидантного равновесии жидкостных сред организма. К их числу относятся система восстановленный — окисленный глутатион, система аскорбиновой кислоты, фенольные соединения. [4]

Глутатион (2-амино-5-{[2-[(карбоксиметил)амино]-1-(меркаптометил)-2-оксоэтил]амино}-5-оксопентаноевая кислота, GSH) — это трипептид г-глутамилцистеинилглицин. Глутатион содержит необычную пептидную связь между амино-группой цистеина и карбокси-группой боковой цепи глутамата. Значение глутатиона в клетке определяется его антиоксидантными свойствами. Фактически глутатион не только защищает клетку от таких токсичных агентов, как свободные радикалы, но и в целом определяет редокс-статус внутриклеточной среды. В клетке тиоловые группы находятся в восстановленном состоянии (SH) в концентрации около 5 мМ. Фактически, такая высокая концентрация глутатиона в клетке приводит к тому, что он восстанавливает любую дисульфидную связь (S-S), образующуюся между цистеинами цитозольных белков. При этом восстановленная форма глутатиона GSH превращается в окисленную GSSG. Восстанавливается окисленный глутатион под действием фермента глутатионредуктазы, который постоянно находится в клетке в активном состоянии и индуцируется при окислительном стрессе. Отношение восстановленный/окисленный глутатион внутри клетки является одним из важнейших параметров, который показывает уровень внутриклеточной токсичности (уровень окислительного стресса). [6, 9]

Функции АО — защиты системы глутатиона:

— защита от активных форм кислорода;

— восстановление и изомеризвция дисульфидных связей;

— защита SH-групп белков цитоплазмы от окисления;

— детоксикация Н2О2, а также гидропероксидов, которые возникают при реакции АФК (активных форм кислорода) с ненасыщенными жирными кислотами мембраны клеток;

— регулирование деятельности других антиоксидантов.

Небелковые тиоловые соединения участвуют в клеточной пролиферации и стимулируют ее. Наряду с глутатионом естественным фактором антиоксидантной защиты, в частности, клеток крови эрготионэин-тоилгистидин. Он близок пофункции к металлоионеинам — низкомолеулярным белкам (ММ 6−7 кДа), не обладающим ферментативной активностью и связывающим ионы тяжелых металлов с переменной валентностью. Молекула состоит из одной полипептидной цепи, содержащей 61 аминокислотный остаток, из них 20 остатков цистеина. Связывает атомы Cu, Zn, Cd, Hg, Fe и др. [2]

Вторая по значимости АО-система биологических жидкостей — система аскорбиновой кислоты (АК) Такой важный водорастворимый антиоксидант, как аскорбиновая кислота в организме человека не синтезируется, а поступает с пищевыми продуктами (преимущественно овощами и фруктами), в т. ч. в виде окисленной формы — дегидроаскорбиновой кислоты. До сих пор не определены все ферменты, в состав простетических групп которых входит витамин С. Одним из основных свойств витамина является способность к окислительно-восстановительным превращениям. Аскорбиновая кислота способна окисляться в дегидроаскорбиновую кислоту, переход осуществляется через промежуточную стадию нестойкогоинтермедиата — семидегидроаскорбата (аскорбили), и, таким образом, вместе с ней она представляет окислительно-восстановительную систему, теряющую и присоединяющую электроны и протоны.

AK семиДАК ДАК При этом витаминная активность не снижается (менее стойкая и теряет биологическую активность дегидроаскорбиновая кислота). ДАК проходит через мембраны, являясь транспортной формой витамина С. АК В клетках и прежде всего в крови присутствуют все три члена системы, однако в физиологических условиях равновесие сильно сдвинуто влево, в сторону наиболее восстановленного члена АК. это состояние Характеризует резервные возможности АО-буферной системы AK семи ДАК ДАК, как ее способность в определенных пределах стабиизировать прооксидантно-аниоксидантное равновесие в биологических жидкостях, связывая и инактивируя АФК: О₂, ОН, органические пероксиды, уменьшая количество продуктов ПОЛ.

Как важный компонент биологической антиоксидантной системы витамин С взаимосвязан с глутатионом и токоферолом. Он принимает активное участие в микросомальном окислении эндогенных и чужеродных веществ, стимулирует активность цитохромного звена, процессы гидроксилирования (играет роль восстановителя). От обеспеченности аскорбиновой кислотой зависит активность цитохрома Р-450, фагоцитарная активность нейтрофилов и макрофагов, их антимикробные свойства. Значительную защитную роль как антиоксидант витамин С играет при токсическом действии различных соединений. Аскорбиновая кислота является мощным антиоксидантом, синергистом b-каротина и токоферола. Дефицит аскорбиновой кислоты в организме, помимо снижения антиоксидантной защиты, сопровождается нарушением синтеза коллагена. Аскорбиновая кислота участвует в выработке энергии, необходимой для синтеза интерферона и других цитокинов. Всасываясь в кровь, аскорбиновая кислота быстро попадает в лейкоциты, усиливает их способность к хемотаксису. [13]

Витамин С защищает противоокислительную активность витамина Е, представляет собой первую линию защиты в организме от действия различных свободных радикалов и других окислителей. Он ингибирует перекисное окисление липидов (хотя основную роль в этом играет a-токоферол), нейтрализует окислители, поступающие с загрязненным воздухом (NO, свободные радикалы сигаретного дыма), редуцирует канцерогенные нитроамины. Аскорбиновая кислота предотвращает пероксидацию холестерола ЛПНП и тем самым препятствует прогрессированию атеросклероза. Смесь аскорбиновой кислоты с ионами Аu или Сu in vitro может инициировать свободнорадикальные процессы, но в организме это не происходит так, как названные ионы металлов связаны белками. Хотя, по мнению B. Halliwell (1984), локальная реализация этого эффекта в организме может иметь место.

Аскорбиновая кислота является кофактором для ряда монооксигеназ (гидроксилирование пролина, катаболизм тирозина).

Фенольные антиоксиданты (ликопен, каротины, билирубин) служат ингибиторами супероксидного анион-радикала, синглетного кислорода, гидроксильного радикала. Фенольные соединения являются непременными спутниками АК и оказывают взаимностабилизирующее антиоксидантное действие обеспечивая биологической (антиокислительной) активности.

Заключение

Резюмируя вышеизложенное в целом, следует заключить, что в целостном макроорганизме находятся в динамическом равновесии системы генерации свободных радикалов, в частности, свободных форм кислорода, и антирадикальной, антиоксидантной защиты. Нарушение этого взаимодействия нередко приводит к дестабилизации биологических мембран, активации процессов липопероксидации, расстройствам гемостаза, фибринолиза, активации каликреинкининовой системы, системы комплемента, нарушению васкуляризации, оксигенации и трофики тканей, потенцированию специфических цитопатогенных эффектов воздействия бактериальных токсинов. Антиоксиданты блокируют активацию протоонкогенов, нормализуют иммунный статус. Ослабление антиоксидантной защиты клеток может быть вызвано недостаточным поступлением в организм неферментных антиоксидантов, в частности, токоферола. Недостаточное поступление в организм селена может быть одной из причин нарушения активности селензависимой глутатионпероксидазы, дефицит Cu₂+ и Zn₂+ резко снижают активность СОД и резко повышают чувствительность к оксидантному повреждению.

Следует отметить, что изменения активности антиоксидантных ферментов зависят от интенсивности образования активных форм кислорода: в случае умеренного возрастания АФК возникает, как правило, активация ферментного звена антиоксидантной системы, при чрезмерном возрастании уровня свободных радикалов нередко происходит, подавление ферментативного звена радикальной защиты клеток.

Как известно, в условиях окислительного стресса, развивающегося при гипоксии, ишемии, гипероксии, действии стрессорных раздражителей бактериальной природы — эндо-, экзотоксинов, ферментов и токсинов бактерий, ферментативная защита оказывает менее эффективное по сравнению с протекторным действием низкомолекулярных антиоксидантов. Последнее обусловлено быстрой инактивацией конститутивного пула ферментов антиоксидантной системы свободными радикалами и значительным временем, необходимым для индукции их синтеза. В связи с этим повышается значимость низкомолекулярных антиоксидантов, что обусловлено их избыточным содержанием в клетках и биологических жидкостях, а также достаточно высокой миграционной способностью.

Однако при чрезмерном образовании инициаторов свободно-радикального окисления может истощиться пул и неферментных антиоксидантов, которые, выполнив роль ловушки свободных радикалов, превращаются в неактивные димерные и другие формы.

Таком образом, можно сделать вывод, что опасны как избыток АФК так и их недостаток, с пищей мы должны получать антиоксидантов не больше и не меньше нашей потребности в них.

1. Арутюнян А. В., Дубинина Е. Е. Зыбина Н.Н. Методы оценки свободно-радикального окисления и антиоксидантной системы организма Методические рекомендации — СПб: ИКФ «Фолиант», 2000. — 104 с.

2. Барабой В. А. Сутковой Д.А. Окислительно-антиоксидантный гомеостаз в норме и патологии.— М., Наука, 1984. — 160с.

3. Бобырев В. Н., Почернява В. Ф., Стародубцев С. Г. и др. Специфичность систем антиоксидантной защиты органов и тканей — основа дифференцированной фармакотерапии антиоксидантами // Эксперим. и клин. фармакология, 1994. — 57(1) — с.47−54.

4. Богач П. Г., Курский М. Д., Кучеренко Н. Е., Рыбальченко В. К. Структура и функции биологических мембран.— К., Вища школа, 1981.— 336с.

6. Воскресенский С. К., Жутаев И. А., Бобырев В. Н. с соавт. Антиоксидантная система, онтогенез и старение // Вопр. мед. Химии, 2004. — № 1. — C. 14−27.

7. КнореД.Г., Мызина С. Д., Биологическая химия: учебник для хим., биол. и мед. спец. вузов. — 3-е изд. испр. М.: Вища школа, 2000. — 479 с.

8. Кучеренко Н. Е., Васильев А. Н. Липиды. — К.: Вища школа, Киев, 1985. — 247с.

9. Ленинджер А. Основы биохимии: В 3-х т. Т.2. — М., Мир, 1985. — 368с.

10. Свободно-радикальное окисление и антиоксидантная терапия / В. К. Казимирко, В. И. Мальцев, В. Ю. Бутылин, Н. И. Горобец. — К.: Морион, 2004.— 160с.

11. Северин Е. С. Биохимия — М.: ГЭОТАР-Медиа, 2004. — 779 с.

12. Уайт А., Хендлер Ф., Смит Э., Хилл Р., Леман И. Основы биохимии: В 3-х томах Т.3. Пер. с англ. — М., Мир, 1981. — 726с.

13. Anderson R. Ascorbic acid and immune Functions: Mechanism of immunostimulation. In «Vitamin C Ascorbic Acid» ed. J.N. Counsell and D. H. Hornig. — 1981. — Р. 249. Applied Science. London.

14. Bendich A., D’Apolito P., Gabriel E., Machlin I.J. Modulation of the immune system function of guinea pigs by dietary vitamin E and C following exposure to oxygen // Fed. Proc. — 1983. — 42. — Р. 923

15. Burton G.W., Ingold K.U. Beta-carotene: an unusual type of antioxidant // Science, 1984. — 224. — Р. 569−73

16. Burton G.W., Wronska U., Stone L., Foster D.O., Ingold K.U. Biokinetics of dietary RRR-?-tocopherol in the male guinea pig at three dietary levels of vitamin C and two levels of vitamin E. Evidence that vitamin C does not «spare» vitamin E in vivo //Lipids. — 1990. — 25. — Р.199−210.

17. Frei B., Stocker R., Ames B.N. (1988) Antioxidant defenses and lipid peroxidation in human blood plasma // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. — 1988. — 85. — Р. 9748−9752.

18. Krinsky N.L. Membrane antioxidants // Ann. NY. Acad. Sci. — 1988. — 551. — Р. 17−33.

19. Sies H. Oxidative stress — from basic research to clinical application // Amer. J. Med. — 1991. — Vol. 91, Suppl.3. — P. 31−38.

20. Papa S., Skulachev V.P. Reactive oxygen species, mitochondria, apoptosis and aging // Molec. Cell. Biochem. — 1997. — Vol.174. — P. 305−319.