Антиоксидантная система организма, факторы клеточной защиты

Высказывается точка зрения о нескольких уровнях защиты клеток мак-роорганизма от активных форм кислорода, которые могут быть представлены следующим образом:

1 - системная защита клеток за счет значительного снижения напряжения O2 в тканях по сравнению с атмосферным воздухом;

2 - обеспечивается в процессе четырехэлектронного восстановления основной массы внутриклеточного O2 при участии цитохромоксидазы без освобождения свободных радикалов;

3 - ферментативное удаление образовавшихся супероксидного анион-радикала и H2O2;

4 - наличие ловушек свободных радикалов (антиоксидантов);

5 - ферментативное восстановление гидроперекисей полиненасыщенных жирных кислот.

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:

1 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 свободнорадикаль-ных процессов, но слабо проникают через мембраны и тканевые барьеры.

2 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.

Эффекты антагонизма установлены в действии смеси токоферола с природными хинонами (убихиноном, филлохиноном). Напротив, фосфолипиды усиливают активность всех антиоксидантов, независимо от их природы.

Таким образом, рассматривая в общем виде антиоксидантные системы, следует иметь в виду, что организм располагает ферментативными системами, ингибирующими ПОЛ на этапе инициации. Так, СОД инактивирует супероксиданионрадикал, субстратами действия глутатионпероксидазы и каталазы являются перекись водорода и гидроперекиси липидов.

Действие ферментных антиоксидантов дополняется в целостном организме естественными антиоксидантами, в частности, витаминами группы Е, стероидными гормонами, серусодержащими аминокислотами, аскорбиновой кислотой, витаминами группы A, K и P, убихиноном, пептидами, производными гаммааминомасляной кислоты, фосфолипидами, продуктами метаболизма эйкозаноидов, а также тиолами, в частности, эрготионеином, содержащимся в эритроцитах печени, мозге.

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.

Касаясь особенностей функционирования ферментного звена антиоксидантной системы следует отметить, что реакции дисмутации супероксиданионрадикала и разложения H2O2 экзотермичны, а катализирующие эти реакции СОД и каталаза не нуждаются в кофакторах, что делает их активность не зависящей от функционирования других клеточных структур. СОД ускоряет спонтанную реакцию в 200 раз.

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.

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 32000-33000, состоит из двух субъединиц, каждая из которых связывает 1 атом Cu и 1 атом Zn.

Mn-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.

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 120000 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:

4Fe2+ + 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.

Каталаза - хромопротеид с ММ около 240 000 Д, состоит из 4 субъеди-ниц, имеющих по одной группе гема, локализуется в основном в пероксисомах, частично - в микросомах и в меньшей мере - в цитозоле. 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.

Разложение H2O2 каталазой осуществляется в два этапа:

Fe3+-каталаза + 2 H2O2 - > окисленная каталаза + H2O2 - > Fe3+-каталаза + H2O2 + O2.

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.

Максимальная концентрация каталазы обнаружена в эритроцитах.

Важнейшей системой инактивации свободных радикалов являются восстановленный глутатион и комплекс ферментов - глутатионпероксидазы, глутатионтрансферазы и глутатионредуктазы.

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.

Инактивация H2O2 в клетках обеспечивается также глутатионпероксидазой (ГПО), последняя является Se-содержащим ферментом, около 70% ее локализовано в цитоплазме и около 30% - в митохондриях всех клеток млекопитающих. Глутатион-пероксидаза - белок с ММ 84000-88000, состоит из 4 идентичных субъединиц, каждая из которых включает 1 атом Se.

Глутатионпероксидаза 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, ключевая роль принадлежит каталазе. Последнее особенно четко продемонстрировано на эндотелиальных клетках.

В клетках млекопитающих, кроме S-зависимой ГПО, выявлена ГПО без S с ММ 39000-46000, 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.

Важную роль в инактивации свободных радикалов отводят внутриклеточным и внеклеточным ловушкам, обеспечивающим обрыв цепи свободнорадикального окисления.

Эффективными "перехватчиками" радикалов являются фенольные антиоксиданты, в частности, простые фенолы, нафтолы и оксипроизводные других ароматических соединений. В настоящее время выделено несколько тысяч фенольных соединений, среди которых выраженным антиоксидантным эффектом обладают витамины Е и К, убихиноны, триптофан и фенилаланин, а также большинство растительных и животных пигментов, в частности, каротиноиды, флавоноиды, фенокарбоксильные кислоты. Большое биологическое значение для человека имеет антиоксидант - токоферол. Он жирорастворим, его основная локализация - гидрофобный слой биологических мембран; инактивирует главным образом радикалы жирных кислот.

Фенольные антиоксиданты (ликопен, каротины, билирубин) служат ингибиторами супероксидного анион-радикала, синглетного кислорода, гидроксильного радикала.

К одному из самых эффективных антиоксидантов, принимаемых с пищей можно отнести витамин Е. Недостаток витамина Е способствует деструкции мембран и экскреции креатина с мочой. Витамин Е - мощный антимутаген, в физиологических концентрациях является регулятором тканевого дыхания, а антиоксидантные свойства его проявляются при 10-15-кратном повышении этих доз. Кроме ?-токоферола, в клетках содержатся водорастворимые антиоксиданты, в том числе аскорбат, которые реагируют с более широким спектром свободных радикалов и поддерживают содержание токоферола.

Витамин Е чаще всего принимается вкупе с витамином С. Аскорбиновая кислота может выступать в качестве донора и акцептора ионов водорода благодаря наличию в структуре двух фенольных групп, ее антиоксидантные свойства характеризуются широким спектром инактивирующего действия на различные свободные радикалы. Аскорбиновая кислота превосходит другие антиоксиданты плазмы крови в защите липидов от перекисного окисления.

Обращает на себя внимание тот факт, что в присутствии ионов Fe или Cu аскорбиновая кислота становится мощным прооксидантом. Антиоксидантные свойства аскорбиновой кислоты связаны с ее окси-редуктазными переходами. Теряя атом водорода, аскорбиновая кислота превращается в радикал - монодегидроаскорбиновую кислоту, проявляющую прооксидантный эффект, потеря еще одного атома H+ приводит к образованию дегидроаскорбиновой кислоты. При этом участвует фермент, содержащий медь - аскорбатоксидаза. Известно, что аскорбиновая кислота восстанавливает продукт окисления токоферола - токофероксид в токоферол. Витамины P и C также восстанавливаются. Аскорбиновая кислота более стабильна в присутствии метилметионина, обеспечивающего не только восстановление дегидроаскорбиновой кислоты, но и полноценность функционирования глутатионового звена антиоксидантной.

Важная роль в антиоксидантной защите организма отводится SH-содержащим соединениями к числу которых относятся помимо вышеописанного трипептида - глутатиона цистеин, цистин и метионин.

SH-соединениям отводится ведущая роль в защите клеток от радикала OH. В связи с коротким периодом жизни и радиусом диффузии OH. в биологических системах указанное соединение не подвергается ферментативной инактивации и в то же время может оказать сильное цитотоксическое и мутагенное действие, последние определяет значимость SH-содержащих соединений - активных перехватчиков OH. - радикалов. При различных стрессорных воздействиях, под влиянием эффектов токсических и ферментативных факторов патогенности различных инфекционных возбудителей, в частности, чумы, анаэробной газовой инфекции, стрептостафилококковой групп бактерий, наблюдается обратимая окислительная модификация SH-групп, приводящая к увеличению дисульфидных групп, что является типовой неспецифической реакцией организма на действие экстремального раздражителя.

Однако изменение соотношения восстановленных и окисленных тиогрупп в сторону преобладания последних изменяет состояние проницаемости клеточных мембран, их адгезивные свойства, приводит к резкому угнетению функции серусодержащих ферментов или коферментов (липоевой кислоты, коэнзима А, глутатиона), нарушению работы тиоловых металлопротеидов (цитохром P-450), ряда гормональных рецепторов и факторов транскрипции.