Антиоксидантные механизмы клеток.

Антиоксиданты - это молекулы, обладающие лабильным водородным атомом с неспаренным электроном:

LOO^. + AH  LOOH + A^.

A^.+ A^.  A-A

( где AН - антиоксидант, A-A его стабильный, не свободно-радикальный продукт)

Множество антиоксидантов, вырабатываемых клетками и поглощаемых извне в качестве полностью, либо частично незаменимых соединений, сдерживают клеточное “атомное оружие”, препятствуя длительному существованию высоких концентраций АКР. Кроме того, избыток АКР может секвестрироваться в пероксисомах. Антиоксиданты - не просто набор веществ. Они способны восстанавливать друг друга и представляют собой антиоксидантные системы клеток. Основными разрушителями АКР служат ферменты каталаза, супероксиддисмутаза, глютатионпероксидаза, фосфолипид-глютатионпероксидаза и глютатионредуктаза.

По П.Хорнсби и Дж.Кривелло, имеются три класса антиоксидантов (1983):

Каталаза и глютатионпероксидаза - это энзимы предупредительного действия поскольку они восстанавливают перекись водорода, провоцирующую цепной свободно-радикальный процесс, до неактивного состояния.

Супероксиддисмутаза - фермент-прерыватель цепной реакции. Она превращает при наличии восстановительных эквивалентов, супероксидный анион, способный, как показано выше, формировать наиболее активные АКР, в менее активную перекись водорода, разрушаемую каталазой. Субстратами - прерывателями цепной реакции служат фенолы (например, токоферол) и амины (например, цистамин).

Третья разновидность антиоксидантов - хелатирующие агенты, способные связывать железо и другие металлы-катализаторы и разветвители цепных свободнорадикальных реакций (например, десферол и унитиол)

Все упомянутые энзимы и их изоэнзимы являются металлоферментами. В состав их активных центров входят микроэлементы .

Глутатионпероксидаза и фосфолипид-глутатионпероксидаза, утилизующие этот метаболит для инактивации перекиси водорода и липоперекисей с образованием спиртовой группы - это селеносодержащие ферменты. Различные тканевые изоферменты супероксиддисмутазы содержат цинк , или марганец и медь. Митохондриальная изоформа использует марганец, а цитозольные - цинк и медь. Каталаза является пероксисомальным железозависимым металлоферментом.

Главные антиоксидантные субстраты клеток - это тиоловые соединения. К ним относятся глютатион , цистеин , Д-пеницилламин.

Глютатион - важнейший компонент антиоксидантных систем печени, сердца, мозга, легких и клеток крови. Показана его защитная роль для эритроцитов - при гемолизе, для нейронов - при инсульте и нейродегенеративных заболеваниях, для альвеоцитов - при отравлении озоном, для кардиомиоцитов - при миокардиодистрофиях. Глютатион обладает радиопротекторными свойствами.

Для образования глютатиона необходима аминокислота цистеин, при работе глутатионовых пероксидаз он превращается в дисульфид.

Другая группа веществ, используемых клетками нашего организма для защиты от окислительного стресса - это витамины. Реактивирует глутатиондисульфид фермент глутатионредуктаза, зависимый от НАДФН и аскорбиновой кислоты. Следовательно, для восстановления и реактивации глютатиона из дисульфида нужны не только микроэлементы, но и витамины РР и С, а, по некоторым сведениям - также Е и В₂. Однако, аскорбиновая кислота амбивалентна в окислительно-восстановительных реакциях и способна оказать и прооксидантные эффекты, в частности, ускоряя восстановление железа, усиливающего свободнорадикальные процессы. Хорнсби и Кривелло считают, что прооксидантные эффекты витамина С преобладают при его малых дозах, а антиоксидантные - при больших. Это, в какой-то степени, оправдывает рекомендации Л.Полинга замедлять старение и предупреждать повреждение клеток, в частности, при вирусных инфекциях и атеросклерозе, мегадозами аскорбиновой кислоты (1983). Интересно, что , по мнению Б.Н.Эймса и соавторов (1981) , у приматов таким же , как витамин С, амбивалентным действием на редокс-состояние клеток обладает мочевая кислота (см. также выше “Диатезы”) .

Особенно тесная взаимозависимость существует между селеном и витамином Е, которые оба служат для инактивации липоперекисей. Витамин Е является сильнейшим антиоксидантом, так как ловит свободный электрон и не участвует в дальнейшей цепи. Протективное действие токоферола особенно выражено в отношении клеточных мембран. Классические эксперименты Дж. Блэнда с человеческими эритроцитами показали , что 10-дневный прием 600 МЕ -токоферола ежесуточно делает плазматические мембраны 95% красных кровяных телец испытуемых резистентными к тому окислительному стрессу , который до курса лечения вызывал стопроцентный гемолиз.

Активность токоферолов восстанавливается витамином С, как и активность системы глютатиона.

Таким образом, в системе глутатиона взаимодействуют витамины, микроэлементы и серосодержащие аминокислоты. Упомянутые витамины и микроэлементы, а также полифенолы (биофлавоноиды), -липоевая кислота и -каротин действуют в комплексе и составляют антиокислительный резерв клеток, определяющий их резистентность к свободно-радикальному повреждению.

Так как аутоокисление липопротеидов является одним из механизмов атерогенеза, а свободно-радикальное повреждение ДНК способно вызвать канцерогенез, обсуждаемые в этом разделе антиоксиданты проявляют протективное действие в отношении двух главных причин смертности - атеросклероза и опухолевых заболеваний.

Многие пищевые продукты содержат значительные количества этих ингредиентов и способны насыщать ими организм.

Поэтому, питание, оптимально обеспечивающее потребности клеток в антиоксидантах, является в настоящее время предметом наиболее интенсивных разработок в диетологии.

Дефицит незаменимых соединений, относящихся к этой системе, связан с развитием многих заболеваний, сопровождаемых клеточным окислительным повреждением. Так, область, эндемичная по геохимическому дефициту селена в провинции Жэньсу (КНР) отличается повышенной частотой особой миокардиодистрофии ( болезнь Кишэн), а Восточная Финляндия имеет самое низкое геохимическое содержание селена и рекордно малую для Европы продолжительность предстоящей жизни сорокалетних мужчин (Л.А.Гаврилов, Н.С.Гаврилова; 1991).

Американский автор Уоллак обнаружил связь между муковисцидозом и дефицитом селена у беременных и новорожденных. Дефицит полностью или частично незаменимых компонентов антиокислительной системы ускоряет развитие атеросклероза, при формировании которого важную роль играет перекисное окисление липидов в атеромах.

Тиоловыми антиоксидантами служат и богатые сульфгидрильными группами цитозольные белки (тиоредоксин), а также сывороточные белки макрофагального происхождения, такие как церулоплазмин, С-реактивный белок, гаптоглобин, -2-микроглобулин, амилоид А. Перечисленные белки синтезируются макрофагами различной локализации в ответ на интерлейкин-1 и ряд других медиаторов воспаления. Таким образом, осуществляется попытка предохранить организм хозяина от негативных последствий собственного окислительного удара, наносимого по агентам, вызвавшим воспаление .

Именно вследствие усиления синтеза сывороточных глобулинов - антиоксидантов происходит хорошо известное каждому медику увеличение скорости оседания эритроцитов (СОЭ). В связи с универсальным характером рассматриваемых механизмов, СОЭ ускоряется при широком круге инфекций, воспалений и иммунопатологических процессов разной этиологии.

Белки, усиленно синтезируемые при воспалении объединяют под названием “положительные глобулины острой фазы” (см. ниже разделы “Патофизиология воспаления” и “Преиммунный ответ”). Типичный представитель этой группы протеинов - церулоплазмин является феррооксидазой и окисляет двухвалентное железо до трехвалентного, без образования свободных радикалов.

Особую роль в антиоксидантной защите играет трансферрин - отрицательный глобулин острой фазы, содержание которого в крови при воспалениях и инфекциях снижается. Он захватывает трехвалентное железо и может переносить его в клетки.

Как уже отмечалось выше, адаптивная ценность гипоферремии при остром ответе на инфекцию экспериментально доказана и связана с каталитической ролью двухвалентного железа в системе генерации АКР.

Эта форма железа чрезвычайно цитотоксична, поскольку участвует в реакции Фентона и в реакциях разветвления цепей окисления мембранных липидов. При лихорадке изменения в синтезе глобулинов острой фазы ограничивают аутоокислительный эффект железа.

Кора надпочечников обладает очень высокой активностью цитохром-Р-450-зависимых оксидаз, и поэтому продукция АКР в этих органах крайне активна, особенно, в условиях стресса. Именно поэтому надпочечник обладает исключительно высокими потенциями антиоксидантных механизмов (рекордные количества аскорбиновой кислоты и витамина Е, очень высокий уровень супероксиддисмутазы). Хорнсби и Кривелло считают редокс-состояние адренокортикоцитов важным фактором, влияющим на интенсивность стероидогенеза и на морфогенез коры надпочечников, в частности, на апоптотическую гибель и эскалаторное перемещение клеток из зоны в зону, а также на смену паттерна синтезируемых клетками различной локализации кортикоидов. Следовательно, АКР влияют не только на клеточные процессы и тканевой ответ на повреждение - воспаление. Они существенны и для развития системных ответов на повреждение - реакции острой фазы и стресса (см. ниже соответствующие разделы).

Итак, свободные радикалы всегда играют определенную роль при клеточной гибели. В ряде случаев, особенно, при радиационной травме, отравлениях хлорорганическими соединениями и воспалении их вклад в механизмы повреждения клеток является определяющим. Окислительно-восстановительный баланс клеток зависит от экспрессии генов и поставки субстратов и незаменимых компонентов диеты и представляет собой одну из главных неспецифических составляющих клеточной реактивности (рис. 38).

.