Антиоксиданты неферментативной природы

Ферментативные антиоксиданты обеспечивают преимущественно внутриклеточную защиту от свободнорадикальных повреждений, в плазме крови, лимфе, межтканевой жидкости и других средах их содержание незначительно. Вместе с тем, как уже ранее было отмечено, во всех водных или липидных фазах организма свободнорадикальные процессы могут протекать весьма интенсивно, защиту организма в этом случае обеспечивают различные вещества способные нейтрализовывать свободные радикалы (ингибиторы, перехватчики, или ловушки свободных радикалов), либо устранять из свободнорадикальных процессов их основной катализатор - ионы двухвалентного железа (хелаторы ионов металлов переменной валентности). В организме имеется множество веществ, обладающих антирадикальной активностью, но, пожалуй, основную роль играют соединения, содержащие енольные или SH- группы.

Ингибиторы свободных радикалов – это антиоксидантные соединения, имеющие легкоотдаваемый подвижный атом водорода, связь которого в структуре ингибитора (In-H) слабее (40-70 ккал/моль), чем связь R-H в молекуле полиеновой жирной кислоты (70-80 ккал/моль). Поскольку разрыв связи в молекуле антиоксиданта требует меньше энергии, ингибиторы успешно конкурируют с субстратами в реакциях со свободными радикалами:

R -H + In-H + ‘R* R-H + In* + ‘R-H

R-H + In-H + R-OO* R-H + In* + ROOH

R-H + In-H + R-O* R-H + In* + ROH

Основную роль в этих реакциях играет взаимодействие ингибитора со свободными радикалами ненасыщенных жирных кислот, однако это не приводит к исчезновению свободных валентностей в системе, так как появляется свободный радикал ингибитора – In*, взаимодействие радикала ингибитора с новой молекулой окисляемого субстрата принципиально возможно:

I n* + R-HIn-H + R*,

но, учитывая малую активность радикала ингибитора, более вероятным является его взаимодействие с другими свободными радикалами:

I n* + RO* In-O-R

In* + In* In-In

Первая из этих реакций представляет особый интерес, поскольку приводит к обрыву еще одной цепи той же молекулой ингибитора, т.е. свободные радикалы ингибитора могут проявлять антиоксидантные свойства.

В организме человека и животных действует система естественных биоантиоксидантов ингибиторов свободных радикалов – токоферолы, убихинон, цистеин, метионин и ряд других соединений.

Витамин Е – α-токоферол.Токоферолы синтезируются растениями и содержатся преимущественно в растительных маслах. Токоферолы являются обязательными компонентами пищи, так как в организме человека они не синтезируются. Существует несколько изомерных форм токоферолов, но в наибольших количествах в органах человека содержится α-токоферол (α-ТФ). Антирадикальная активность α-ТФ обусловлена наличием в его структуре гидроксильной группы –ОН, присоединенной к ароматическому ядру и экранированной двумя метильными группами. Благодаря наличию в структуре ароматического кольца обобщенной системы π-электронов происходит смещение отрицательного заряда на кислород, результатом чего становится возможным достаточно легкий отрыв атома водорода в гидроксильной группе -ОН с образованием радикальной формы –О* альфа-токоферола.

Рис.5. Механизм антиоксидантного действия витамина Е.

Ослаблению связей водорода с кислородом способствуют также соседние метильные группы, экранирующие гидроксильную группу.

Витамин Е отдаёт атом водорода свободному радикалу пероксида липида (ROO•), восстанавливая его до гидропероксида (ROOH) и таким образом останавливает развитие ПОЛ (рис.5).

Взаимодействуя с перекисными радикалами, токоферолы ингибируют процессы ПОЛ, при этом образуется феноксильный радикал самого альфа-токоферола (α-ТФ-О*):

L OO* + α-ТФ-ОН LOOH + α-ТФ-О*

L OO* + α-ТФ-ОН LOH + α-ТФ-О* + H₂O

Характер ингибирующего действия подтвержден экспериментально. Установлено, что в ходе реакции: 1)уменьшается количество альфа-токоферола, 2)снижается уровень RO*, 3) появляются свободнорадикальные формы альфа-токоферола.

Токофеноксильные радикалы (ά-ТФ-О* ) могут взаимодействовать между собой, образуя ковалентносвзанные димерные формы альфа-токоферола:

α -ТФ-О* + α-ТФ-О* α-ТФ-О-О-ТФ

Однако свободнорадикальные формы альфа-токоферола могут также инициировать и процессы ПОЛ. Так, было показано, что в модельной системе токофеноксильные радикалы способны индуцировать свободнорадикальное окисление ненасыщенных липидов, входящих в состав липопротеидов низкой плотности:

α -ТФ-О* + LHα-ТФ-ОН + L*

Осуществление подобной реакции в организме представляет определенную опасность, так как вызывает окислительную модификацию липопротеидов низкой плотности, в результате чего они становятся более атерогенным.

Реальная опасность подобных превращений существует, поэтому в организме действует мощная система регенерации альфа-токоферола. Основную роль в этих процессах играет аскорбиновая кислота.

Рис.6. Восстановление радикала альфа-токоферола

Токофеноксильный радикал (α-ТФ-О*) взаимодействует с аскорбиновой кислотой (НО-АК-ОН), в результате чего радикал альфа-токоферола восстанавливается, но возникает свободный радикал полувосстановленной формы аскорбиновой кислоты – семидегидроаскорбат (НО-АК-О*), при взаимодействии которого с новой молекулой токофеноксильного радикала образуется дегидроаскорбиновая кислота (О=АК=О):

α -ТФ-О* + НО-АК-ОН α-ТФ-ОН + НО-АК-О*

α -ТФ-О* + НО-АК-О* α-ТФ-ОН + О=АК=О

Восстановление аскорбиновой кислоты и ее полувосстановленной формы - семидегидроаскорбиновой кислоты осуществляется в различных компартаментах клетки (микросомы, митохондрии, цитозоль) с участием НАДФН- и G-SH-зависимых редуктаз. Окисленный глутатион (GS – SG) быстро регенерируется под влиянием глутатионредуктазы, источником которого является пентозо-фосфатный цикл.

Представленная на схеме система регенерирующих циклов фактически исключает побочные реакции токоферилрадикала, обусловливая не только высокую антирадикальную, но и антиоксидантую активность, прерывая развитие цепей перекисного окисления липидов.

Антиокислительную активность по механизму подобному альфа-токоферольному проявляют убихиноны, стероидные гормоны, нафтохиноны и другие соединения.

Витамин С(аскорбиновая кислота) также является антиоксидантом и участвует с помощью двух различных механизмов в ингибировании ПОЛ. Во-первых, витамин С восстанавливает окисленную форму витамина Е и таким образом поддерживает необходимую концентрацию этого антиоксиданта непосредственно в мембранах клеток. Во-вторых, витамин С, будучи водорастворимым витамином и сильным восстановителем, взаимодействует с водорастворимыми активными формами кислорода - , Н₂О₂, ОН• и инактивирует их.

β-Каротин, предшественник витамина А, также обладает антиоксидантантным действием и ингибирует ПОЛ.

Коэнзим Q – убихинон.

Убихиноны— это жирорастворимые коферменты, представленные преимущественно в митохондриях эукариотических клеток.

Рис.7. Строение убихинона, окисление и восстановление в процессе транспорта электронов.

Убихиноны — являются компонентами цепи переноса электронов, принимают участие в окислительном фосфорилировании и содержатся в липидной фазе митохондриальных мембран.

Максимальное содержание убихинона в органах с наибольшими энергетическими потребностями, например, в сердце и печени. Обозначение этого жирорастворимого хинона происходит от первой буквы английского названия хинона (quinone), а название убихинон отражает его широкую распространённость в природе (ubiquitous - вездесущий). Убихинон в митохондриях выполняет коллекторную функцию, присоединяя электроны от NADH-дегидрогеназы и других флавинзависимых дегидрогеназ, в частности, от сукцинат-дегидрогеназы, и участвует таким образом в синтезе АТФ.

По строению и свойствам убихинон подобен альфа-токоферолу, однако у его бензольного кольца имеются два атома кислорода, которые способны присоединять или отдавать два электрона и два протона (рис 7).

Убихинон является антиоксидантом и, в отличие от других антиоксидантов, регенерируется организмом. Кроме того, кофермент Q восстанавливает антиоксидантную активность витамина Е — α-токоферола. Антиоксидантное действие кофермента Q обусловлено, главным образом, его восстановленной формой (QH₂). Активность восстановленной формы кофермента Q на три порядка выше невосстановленной. Убихинон эффективно нейтрализует супероксидный анионрадикал, гидроксильный и алкоксильные радикалы. Убихинон защищает от окисления частицы липопротеидов низкой плотности, обеспечивая восстановление липидных радикалов и регенерируя альфа-токоферол.

Реакцию нейтрализации свободных радикалов восстановленным коферментом Q (QH₂) можно записать следующим образом:

L O₂* + QH₂ LOOH + *QH

L O* + QH₂ LOH + *QH

α -ТФ-О* + QH₂ α-ТФ-ОH + *QH

α -ТФ-О* + *QHα-ТФ-ОH + Q

В отличие от альфа-токоферола убихинон не является витамином, животные организмы синтезируют его в достаточных количествах. Образующиеся в процессе функционирования окисленные формы убихинона восстанавливаются аскорбиновой кислотой и различными ферментами – редуктазами с участием НАДН или НАДФН. К природным антиоксидантам относят и растительные флавоноиды и каротиноиды, кроме этого в организме человека антиоксидантную активность проявляют и различные низкомолекулярные вещества: SH-содержащие пептиды и аминокислоты (глутатион, цистеин, метионин), мочевая кислота, аскорбиновая кислота. Некоторые гормоны (мелатонин, эстрадиол, эстриол, эстрон) также являются антиоксидантами.

Особое место в антиоксидантной защите организма занимают хелаторы ионов металлов переменной валентности, связывающие эти ионы, препятствуя тем самым проявлению их каталитического действия в образовании АФК.

Хелаторы ионов металлов переменной валентности.

Ионы металлов переменной валентности катализируют распад перекиси водорода и липоперекисей с образованием высокореакционных свободных радикалов - гидроксильного и алкоксильного:

Н₂О₂ + Meⁿ⁺НО* + НО⁻

R OOH + Meⁿ⁺ RO* + НО⁻

Хелатные соединения, обладающие способностью связывать ионы металлов переменной валентности (ферритин, гемосидерин, трансферрины, церулоплазмин, молочная и мочевая кислота), являются важнейшей составной антиоксидантной системы организма, так как нейтрализуют основные катализаторы свободнорадикального окисления в организме. Принято считать, что хелаторы в основном обеспечивают защиту от окисления белки крови и клеточные рецепторы. Некоторые авторы, полагают неправомерным отнесение хелаторов ионов металлов переменной валентности к антиоксидантам, так как ингибирование свободнорадикального окисления не связано с непосредственным взаимодействием со свободными радикалами с образованием малоактивных продуктов. Вероятно, более корректным является отнесение хелаторов к факторам, опосредующим антиоксидантную защиту организма.

В организме животных и человека связывание свободных ионов железа – ведущих катализаторов образования АФК и их транспорт, осуществляется, главным образом, трансферрином.

Железо, высвободившееся из трансферрина, связывается специфическим белком ферритином, который доставляет железо в митохондрии, где оно включается в состав гема с участием феррохелатазы. Запасание железа в окисленной форме препятствует его вовлечению в окислительные процессы.

Главная роль трансферрина — доставка железа из центров поглощения в двенадцатиперстной кишке и переваривания эритроцитовмакрофагами ко всем тканям. Особенно важную роль трансферрин играет в активном делении клеток, например, при кроветвороении. К трансферринам принадлежит собственно белок под названием трансферрин, а также овотрансферрин, лактоферрин, меланотрансферрин.

Церулоплазмин (ЦП).

ЦП — медьсодержащий гликопротеид, относящийся к α₂-глобулиновой фракции плазмы крови млекопитающих животных и человека. Выполняет в организме ряд важных биологических функций:  повышает стабильность клеточных мембран; участвует в иммунологических реакциях;  ионном обмене; оказывает антиоксидантное действие;  тормозит перекисное окисление липидов; стимулирует гемопоэз.

Роль церулоплазмина в транспорте самой меди не очень значительна, поскольку оборот меди в нем медленный (основную роль в транспорте меди играют альбумин и транскупреин). Основной физиологической функцией ЦП является его способность окислять различные биологические субстраты по оксидазному механизму. ЦП эффективно окисляет ионы двухвалентного железа, аскорбиновую кислоту, фенол, амины, катехолы, проявляя при этом одновременно феррооксидазную, аскорбатоксидазную и аминоксидазную активность.

ЦП усиливает связывание ионов железа с трансферрином, а в случае их высокой концентрации в плазме крови - и с ферритином. В крови церулоплазмин совместно с трансферрином образует главную антиоксидантную систему, контролирующую процессы ПОЛ, индуцированные ионами двухвалентного железа. Действуя как ферроксидаза, церулоплазмин выполняет важнейшую роль в регуляции ионного состояния железа - окислении Fe2+ в Fe3+. Это делает возможным включение железа в трансферрин без образования токсических продуктов железа. Поддержание нормального транспорта и метаболизма железа – жизненно важная функция церулоплазмина.

Окисляя Fe²⁺ до Fe³⁺, ЦП может препятствовать образованию OH* радикалов при взаимодействии Fe²⁺ c H₂O₂, в реакции Фентона:

F e²⁺ + H₂O₂ Fe³⁺ + OH^- + OH*

Способствуя встраиванию в ферритин окисленного Fe³⁺, ЦП ингибирует супероксидное и ферритин-зависимое перекисное окисление липидов (ПОЛ). Описанные выше свойства ЦП послужили основой для объяснения его противовоспалительной активности, что вместе с быстрым возрастанием концентрации ЦП (в 2-3 раза) в русле крови уже в начале воспалительной реакции позволяет причислить его к белкам “острой фазы”. Показано, что ЦП может выступать как фактор роста, вследствие антиоксидантных свойств.

Церулоплазмин является наиболее сильным ингибитором образования гипогалоидов в системе миелопреоксидаза-перекись водорода-ионы хлора. Ионы хлора выступают в роли естественных регуляторов каталитической активности церулоплазмина, многократно повышая ее при нейтральных значениях рН и существенно снижая при рН< 6. В физиологических условиях церулоплазмин на порядок более эффективно захватывает OCl^- , чем трансферрин, альбумин, СОД.

ЦП применяется в медицинской практике в качестве медицинского препарата, он используется как основной антиоксидант крови, стимулятор гемопоэза, уменьшающий интоксикацию и иммунодепрессию.

Металлотионеины (МТ) – еще один класс соединений, обеспечивающих эффективное ингибирование свободнорадикальных процессов. Металлотионеины представляют собой низкомолекулярные белки, содержащие до 30% цистеина и способные связывать ионы тяжелых металлов. Синтез металлотеининов индуцируется под влиянием различных химических и физических факторов. Функции металлотеининов до конца не выяснены, хотя доказана их роль в снижении токсичности тяжелых металлов и в регуляции уровней цинка и меди в организме. Весьма вероятно также участие этих белков в защите биологических объектов от окислительного стресса.

«Ловушки» гидроксильных радикалов. Маннит, ксилит, сорбит, сахароза и другие многоатомные спирты, бензойная кислота, мочевая кислота, диметилсульфоксид ингибируют ПОЛ, связывая гидроксильные радикалы. Содержание мочевой кислоты в крови человека довольно значительное, поэтому некоторые авторы полагают, что на ее долю приходится не менее половины эффекта защиты липопротеидов крови от свободнорадикального окисления и не менее 10-15% ингибирования гидроксильных радикалов. Реакция мочевой кислоты с гидроксильными радикалами приводит либо к отрыву атома водорода и образованию гидроперекиси, либо, если ОН-радикал присоединяется к мочевой кислоте, к конформационной перестройке ее молекулы с образованием аллантоина, который подвергается дальнейшему окислению.

Гормоны – антиоксиданты. Некоторые гормоны, в частности, эстрогены и мелатонин, кроме своей основной функции способны влиять на интенсивность свободнорадикальных окислительных процессов как в условиях физиологической нормы, так и при развитии патологии.

Многочисленными исследованиями показано, что у женщин различных возрастных групп, активность процессов свободнорадикального окисления и содержание в сыворотке крови продуктов ПОЛ, ниже чем, у мужчин соответствующего возраста.

Некоторые авторы связывают меньший риск развития атеросклероза и большую продолжительность жизни женщин по сравнению с мужчинами с выраженными антиоксидантными свойствами женских половых гормонов – эстрогенов. Полагают, что антиокислительная активность эстрогенов обусловлена наличием в их структуре фенольной гидроксильной группы.

Мелатонин – синтезируется в эпифизе на основе серотонина. Мелатонин эффетивно нейтрализует гидроксильный радикал, супероксидный анион-радикал, пероксинитрит, гидроперекисные радикалы, синглетный кислород. Было показано, что мелатонин активно защищает от свободнорадикального повреждения липиды и нуклеиновые кислоты, обладает антиканцерогенным и радиопротекторным действием, предотвращает развитие аллоксан-индуцированного диабета и возрастных патологий. На различных моделях ишемии/реперфузии, острого и хронического воспаления у животных, а также в клинических условиях мелатонин проявлял выраженный защитный и противовоспалительный эффекты. Вероятно, антирадикальная активность обусловлена нейтрализацией гидроксильного радикала благодаря наличию в его структуре метокси-группы (рис.13).

Рис.8. Строение мелатонина

Установлена также способность мелатонина повышать активность антиоксидантных глутатион-зависимых ферментов, глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы и супероксиддисмутазы.