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.

Таков нормальный механизм обезвреживания кислорода, общий для всех процессов в организме. Но по некоторым причинам (о них речь пойдет ниже) 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. Установлено, что пероксидаза клеточной поверхности является одним из основных источников супероксидного радикала при отсечении корней от проростков пшеницы.

Интересно сравнеие образования свободных форм кислорода у клетках растений и животных. Поскольку растения неподвижны и находятся под постоянным воздействием меняющихся условий среды, а также осуществляют оксигенный фотосинтез, в их тканях концентрация молекулярного кислорода оказывается намного более высокой, чем у других эукариот. Показано, что концентрация кислорода в митохондриях млекопитающих достигает 0,1 мкМ, в то время как в митохондриях растительных клеток - более 250 мкМ. При этом, по оценкам исследователей, примерно 1 % поглощаемого растениями кислорода преобразуется в его активные формы, что неизбежно связано с неполным пошаговым восстановлением молекулярного кислорода.

Синглетный кислород (1О2) 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 перекись водорода. Принято считать, что ее 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 перекиси водорода. В присутствии ионов железа перекись 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

Таким образом, супероксид, образующийся при "разобщении" на цитохроме Р-450, может быть источником перекиси водорода и генератором ионов железа из ферритина-компонентов, необходимых для образования различных активных форм кислорода. Действительно, образование супероксида, перекиси 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.