Ферментные системы антиоксидантной защиты

В настоящее время известны следующие ферментные системы: 1) супероксидисмутаза + каталаза, 2) глутатионпероксидаза + глутатионредуктаза, 3) глутатион-S-транфераза + глутатионредуктаза.

Супероксиддисмутаза (СОД).Супероксиддисмутаза – ключевой фермент, лимитирующий скорость всего цикла превращений супероксидного анион-радикала в другие активные формы кислорода и контролирующий тем самым скорость перекисного окисления липидов.

СОД осуществляет инактивацию супероксидных анионов кислорода. Фермент обнаружен во всех аэробных организмах. Все виды СОД содержат в активном центре либо медь и цинк, либо марганец. В цитозоле клеток человека находится Cu²⁺/Zn⁺ -СОД, в митохондриях – Mn²⁺-СОД.

Под действием СОД осуществляется реакция диспропорционирования свободных радикалов кислорода (супероксидных анионов) в присутствии протонов:

1 . E-Cu²⁺ + O₂^-* E-Сu⁺ + O₂

2. E-Cu⁺ + O₂^-* + 2H⁺ Е-Cu²⁺ + H₂O₂

С уммарно: О₂^-* + О₂^{-* СОД + 2Н+} О₂ + Н₂О₂

Как уже было отмечено, СОДчрезвычайно распространена среди живых организмов. Особенно активна СОД в фагоцитирующих клетках, в которых АФК генерируются в качестве бактерицидных факторов. СОД в данном случае выполняет роль регулятора, обеспечивающего выполнение биологических функций свободных радикалов кислорода на уровне, не превышающим порог безопасности для клетки. Издержками этого ферментативного процесса является образование перекиси водорода, способной образовывать высокореакционные гидроксильные радикалы. Особая опасность перекиси водорода заключается в том, что ее молекула небольших размеров, лишена заряда и может, в отличие от супероксидного анионрадикала, легко диффундировать на большие расстояния, что представляет серьезную опасность для жизненноважных структурных элементов клетки. Однако в клетках перекись водорода быстро обезвреживается с помощью другого фермента – каталазы.

Последнее обстоятельство препятствует распространению перекиси водорода после ее локального образования в результате действия СОД.

Каталаза. Каталаза - один из самых мощных ферментов известных в настоящее время. Одна молекула каталазы способна обеспечить разложение 44 000 молекул Н₂О₂ в 1 сек. Каталаза обнаружена во всех клетках животного организма. Особенно в больших количествах каталаза содержится в эритроцитах и в печени. Каталазная реакция довольно сложна в химическом отношении, схематически ее можно представить следующим образом:

Н ООН + НООН ^{каталаза} 2 Н₂О + О₂

В каталазной реакции донором и акцептором электронов служат сами молекулы перекиси водорода, продуктами реакции являются вода и молекулярный кислород.

Каталаза в клетках, в частности, в эритроцитах находится в едином комплексе с СОД, поэтому совместное действие этих антиоксидантных ферментов может быть представлено в виде единой реакции:

O ₂^-* + 2H^{+ СОД} H₂O₂ ^{каталаза}Н₂О + О₂

Таким образом, совместное действие супероксидисмутазы и каталазы обеспечивает надежную защиту организма от токсического действия высоких концентраций супероксидного анион-радикала и перекиси водорода, но, в то же время, поддерживает минимальный (ниже 50,0 мкМ) контролируемый уровень этих соединений необходимых в физиологических условиях для осуществления многих клеточных процессов. Так, установлено, что перекись водорода в диапазоне концентраций 20-25 мкМ является стимулятором клеточной активности.

Исследованиями последних лет показано, что перекись водорода (0,1 – 50,0 мкМ) активирует калиевые каналы плазматической мембраны, дозозависимо усиливает оксилительный взрыв нейтрофилов и макрофагов в ответ на хемотактический пептид, опосредует хемотаксис гладкомышечных клеток к тромбоцитарному фактору роста, ускоряет выход органических анионов из макрофагов, влияет на циклооксигеназную активность эпителиальных клеток и тромбоцитов, усиливает секрецию простагландинов из эндотелиальных клеток, усиливает фагоцитоз макрофагами частиц опсонизированноголатекса, участвует в образовании тиреоидных гормонов и агрегации тромбоцитов, стимулирует выброс гистамина их тучных клеток, адгезию лейкоцитов к эндотелию и эндоцитоз эндотелиальных клеток. Кроме этого, установлено, что перекись водорода в малых дозах вызывает гидролиз инозитолфосфолипидов с последующей активацией протеинкиназы С, активирует различные фосфолипазы.

Таким образом, комлекс СОД+каталаза обеспечивает и образование перекиси водорода и поддержание ее концентрации на уровне, обеспечивающим участие в клеточных процессах. В случае необходимости изменение активности одного из ферментов может резко изменить и уровень перекиси водорода. Так, например, при стимуляции фагоцитоза резко возрастает активность СОД, что приводит к образованию повышенных количеств перекиси водорода, которая используется для создания самых мощных деструктивных факторов фагоцитоза – гидроксильного радикала и гипохлорит-иона.

Глутатионпероксидазная система. Обязательным кофактором этой системы является глутатион. Глутатион – один из наиболее распространенных пептидов в растительном и животном мире. Он содержится практически во всех клетках и особенно в больших количествах в ткани мозга, печени, почках, эритроцитах.

Рис.9. Структурная формула глутатиона

По своей структуре глутатион представляет собой трипептид, состоящий из глутаминовой кислоты, цистеина и глицина. Особенностью глутатиона является то, что глутаминовая кислота образует пептидную связь своей гамма- , а не альфа-карбоксильной группой (гамма-глутаминил-цистеинил-глицин):

Функциональной особенностью глутатиона является его участие в окислительно-восстановительных реакциях, что обусловлено наличием SH-группы, которая обратимо легко отдает или присоединяет ион водорода (протон).

Глутатионпероксидаза (ГПО) содержится во всех исследованных животных организмах и локализована, в основном, в растворимой фракции клеток, на долю митохондрий приходится всего около 25% общей активности этого фермента в клетке.

ГПО является тетрамером, состоящим из идентичных субъединиц, каждая из которых содетжит по одному атому селена. Полагают, что антиоксидантные свойства селена и селенсодержащих соединений реализуются в организме,главным образом, благодаря включению селена в ГПО-катализ. Каталитическую функцию селена в организме подтверждает чрезвычайно низкая (но абсолютно обязательная) потребность, составляющая всего лишь микро- и даже нанограммы в сутки. При недостатке селена в питании уменьшается уровень активности ГПО, что сопровождается снижением устойчивости организма к окислительному поражению и может приводить к развитию свободнорадикальной патологии, характеризующейся разрушением эритроцитов, некрозом и ожирением печени.

ГПО катализирует реакцию восстановления глутатионом органических гидроперекисей, превращая их в стабильные оксикислоты:

R OOH + 2 G-SH ГПО ROH + G-S-S-G

Продукты восстановления – оксикислоты могут метаболизироваться дальше, а окисленный глутатион (G-S-S-G) восстанавливается в глутатионредуктазной реакции с участием NADPH:

G -S-S-G + NADPH + Н⁺2 G-SH + NADP

Глутатионпереоксидаза не обладает абсолютной специфичностью и способна восстанавливать не только гидроперекиси полиненасыщенных жирных кислот, но и перекисиь водорода и другие пероксиды, включая пероксинитрит. Но тетрамерные формы ГПО не способны восстанавливать гидропероксигруппы в структуре фосфолипидов. Они могут превращать окисленные остатки полиненасыщенных жирных кислот в оксикислоты только после их отщепления в результате гидролиза фосфолипазой А₂

Существенным является то обстоятельство, что при действии ГПО в отличие от геминового катализа или катализа ионами металлов переменной валентности свободные радикалы не образуются.

В клетках млекопитающих обнаружен изофермент ГПО, названный «ГПО гидроперекисей фосфолипидов», представляющий собой мономер, содержащий только один атом селена. Этот изофермент кроме гидроперекисей жирных кислот и перекиси водорода, способен восстанавливать гидроперекисные остатки полиненасыщенных жирных кислот в структуре фосфолипидов. Фермент обладает липофильными свойствами, поэтому, находясь в липидной среде клеточных мембран, он эффективно взаимодействует с гидроперекисями фосфатидилхолина, холестерина и эфиров холестерина. Кроме этого восстановлению подвергаются и гидроперекиси, содержащиеся в липопротеидах низкой плотности.

Глутатион-S-трансферазная система.

Известен еще один фермент, использующий G-SН для восстановления гидроперекисей жирных кислот, - глутатион-S-трансфераза (ГТ). В отличие от ГПО ГТ не способна восстанавливать перекись водорода, но подобно мономерной ГПО весьма эффективно восстанавливает гидропероксиацилы мембранных фосфолипидов, а также подобно тетрамерной ГПО восстанавливает свободные гидроперекиси полиненасыщенных жирных кислот, образовавшиеся в результате гидролиза окисленных фосфолипидов фосфолипазой А_2. Восстановление гидроперекисей полиеновых жирных кислот как свободных, так и находящихся в структуре мембранных фосфолипидов протекает по схеме:

R OOH + G-SH ^ГТ ROH + G-SOH

Нестойкое сульфеновое производное глутатиона (G-SOH) способно взаимодействовать еще с одной молекулой глутатитона с образование дисульфида окисленного глутатиона:

G -SOH + G-SHG-S-S-Н + H₂O, далее действует глутатионредуктаза.

ГТ не конкурентна в своих действиях ГПО. Полагают, что в нормальных физиологических условиях, когда фосфолипаза А₂ малоактивна, контроль за уровнем липопероксидов в клетке осуществляется преимущественно ГТ, способной напрямую восстанавливать мембранные фосфолипиды. В условиях патологии, когда вследствие ацидоза и повышения уровня внутриклеточного Са²⁺ активируется фосфолипаза А₂ и отщепляются свободные гидроперекиси полиеновых жирных кислот, действует «классическая» тетрамерная ГПО. Таким образом, глутатионзависимые антиоксидантные ферменты – ГПО и ГТ играют важную роль в репарации мембранных структур после их свободнорадикального повреждения. Кроме этого, установлено, что ГТ также способствует конъюгированию с G-SH токсичных конечных продуктов ПОЛ, что способствует их выведению из организма.