Биоорганическая химия. Учебное пособие

Тема 28. Антиоксидантная защита организма

Окислительно восстановительный потенциал пары О2/О2— расположен в отрицательной области (около — 0,2), а кинетиче ские барьеры реакций одноэлектронного восстановления О2 ве ществами клетки достаточно высоки. Поэтому само по себе обра зование в клетке О2– — процесс медленный, хотя и довольно опасный, так как окисляются не специально выбранные для этой цели субстраты дыхания, а любые вещества с подходящим потен циалом. Гораздо более страшно, что О2– может служить в резуль тате дисмутации источником перекиси водорода, которая в свою очередь, восстанавливаясь, дает гидроксид радикал ОН*. Потен циал системы (ОН* + Н+) / Н2О около + 1,35 В, а реакционная способность ОН* чрезвычайно высока, поэтому последний спо собен с высокой скоростью окислять практически любое ве щество клетки, включая ДНК, часто с необратимыми последст виями.

Гидроксильные радикалы — короткоживущие, действующие

вместе своего образования, представляют еще большую опас ность для жизнедеятельности клетки, нежелzи супероксидный анион.

Так же как и супероксидный радикал, перекись водорода от носится к нормальным продуктам обмена веществ, необходимым для осуществления разнообразных биохимических реакций. Об разование ее в клетках происходит не только за счет действия СОД в митохондриях и в микросомальных фракциях. В обычных физиологических условиях эндогенная перекись водорода обра зуется главным образом в пероксисомах, где она в основном раз лагается каталазой. Перекись водорода интенсивно генерируется

впроцессе трансформации моноцитов в макрофаги. Она играет ведущую роль в механизме фагоцитоза. При усилении генерации супероксидных анионов в процессе биотрансформации ксено биотиков происходит увеличение продукции и перекиси водоро да. В этих условиях появляется возможность проявления токсиче

311

Тема 28. Антиоксидантная защита организма

ского действия как супероксидного аниона, так и перекиси во дорода. Наиболее существенными являются возможность взаи модействия как супероксидного аниона, так и перекиси водорода с перекисями липидов, усиление пероксидации липидов и нару шение проницаемости биомембран. Кроме того, перекись водо рода взаимодействует с ДНК, участвует в образовании метагемо глобина. Эти эффекты перекиси водорода не проявляются, пока успешно функционирует вторая линия ферментативной защиты от повреждающего воздействия активных форм кислорода. К ней относятся каталаза и глутатионпероксидаза. Эти ферменты соста вляют антиперекисную линию защиты.

Первыми признаками перегрузки молекулярных механизмов, ответственных за поддержание гомеостаза при действии активных форм кислорода и перекисей, является усиление процесса перекис ного окисления липидов. Супероксидный анион и перекись водо рода взаимодействуют с полиненасыщеными жирными кислотами биологических мембран. При этом образуются разнообразные про дукты переоксидации липидов — перекиси липидов, альдегиды жирных кислот, малоновый диальдегид, кетоны.

Избыточное образование свободных радикалов при дефиците антиоксидантов становится патогенетически значимым. В клет ках происходят нарушения мембранных структур, обусловленные сдвигами в физико химических свойствах липидного матрикса. Нарушается ориентация жирно кислотных остатков фосфолипи дов, что сопровождается повышением пассивной ионной прони цаемости мембран, особенно для ионов кальция, изменением функциональных свойств белков мембраны с их конформацион ными изменениями и деградацией, особо мембранно связанных ферментов и рецепторов от их активации до полного ингибирова ния. Активность мембранных ферментов может меняться за счет окисления SH групп. Изменяется темп окислительного фосфо рилирования и функциональная активность митохондрий, иска жается информация и ее передача от внеклеточных регуляторов к внутриклеточным эффекторам системы.

312

Тема 28. Антиоксидантная защита организма

При включении активированных форм кислорода в ненасы щенный жирно кислотный остаток образуются первичные моле кулярные продукты ПОЛ (гидроперекиси липидов), которые не устойчивы, распад их приводит к появлению разнообразных вторичных и конечных продуктов ПОЛ (диеновые конъюгаты, Шиффовы основания), обладающие альтерирующим действием.

3. Феномен реперфузии. Повреждения, развивающиеся в резуль тате кратковременной аноксии, являются результатом последую щей реоксигенации, ведущая роль в которой отводится активным формам кислорода, прежде всего — радикалу гидроксила. Главным источником ОН* в клетке является фентоновская реакция:

Н2О2 + Fe2+ → OH* + ОН– + Fe3+.

Внутриклеточная концентрация свободных ионов железа очень низкая, при аэробиозе почти все они находятся в окисленной форме (Fe3+), так как Fe2+ самоокисляется кислородом. При ана эробиозе самоокисление Fe2+ становится невозможным. Появле ние Fe2+ само по себе безопасно, пока нет О2. Реоксигенация развязывает фентоновскую реакцию. Гидроксильный радикал ини циирует программу апоптоза в клетке. Хелаты железа резко увели чивают устойчивость клеток и целых органов к окислительному стрессу.

Другой причиной эффекта реперфузии может быть увеличение уровня ксантиноксидазы. Активность этого цитозольного фермен та обратно пропорциональна концентрации О2. Когда кислород по ступает в анаэробную клетку, он встречается там с ксантиноксида зой, по мощности сильно превосходящей таковую в аэробных условиях. Аэробиоз вызывает снижение уровня ксантиноксидазы, но на это требуется некоторое время. В результате образование О2– и Н2О2 ксантиноксидазой сильно возрастает в первые минуты реокси генации. В сочетании с резко повышенным отношением Fe2+ / Fe3+

313

Тема 28. Антиоксидантная защита организма

такой эффект должен приводить к дальнейшему росту амплитуды всплеска гидроксильного радикала.

Клетка, образующая ОН*, не только повреждает саму себя, но и становится опасной для тканей, поэтому она и ее ближайшие соседки должны быть как можно быстрее элиминированы. Мас совая гибель клеток при реперфузии органа оксигенированной кровью будет следствием реализации такого рода программы. По всей вероятности, эффект именно такого рода ответственен за гибель мозга всего через несколько минут после наступления ишемии.

Активные формы кислорода вызывают образование воспали тельных агентов, таких как цитокины, привлекающих и активи рующих полиморфноядерные лейкоциты, осуществляющие фа гоцитоз.

4. Система антиоксидантной защиты. Физиологическая систе ма антиоксидантной защиты включает в себя три элемента: нали чие каскада уровней Р, понижающегося от альвеол к клеткам со 100 до 10 мм рт. ст.; уменьшение локального кровообращения в тканях при увеличении Р в крови с вовлечением в реакцию как системной гемодинамики, так и микроциркуляции; наличие от носительно большой межкапиллярной дистанции и высокого сродства цитохромоксидазы к кислороду, которые формируют еще один градиент Р от капилляра до «мертвого» угла тканевого цилиндра Крога, что значительно уменьшает напряжение кисло рода в некоторых субклеточных структурах по сравнению с Р в со судах.

Среди способов, предотвращающих кислородную опасность, — уменьшение концентрации кислорода и его одноэлектронных восстановителей. Это может достигаться поглощением О2, не со пряженным с синтезом АТФ вследствие:

1)появления «неомической» протонной утечки в мембране митохондрий;

2)образования пор в митохондральной мембране;

3)активации особых дыхательных механизмов.

314

Тема 28. Антиоксидантная защита организма

Биохимические механизмы антиоксидантной защиты пред ставляют антиокислительную систему клетки, составляющими которой являются:

1)определенная ориентация липидов в белково липидных комплексах и большая плотность упаковки ненасыщенных жир ных кислот в фосфолипидных мембранах, затрудняющая доступ

кним кислорода;

2)наличие системы ферментов, ответственных за разрушение активных форм кислорода и свободных радикалов, и ферментов, участвующих в разложении гидроперекисей нерадикальным путем;

3)супероксиддисмутаза, которая образует из непроникающе го через мембрану О2– проникающую Н2О2.

Вотсутствие СОД спонтанная дисмутация О2– приводит к об разованию Н2О2 и синглетного кислорода. СОД катализирует реакцию дисмутации супероксидного анионрадикала:

О2– + О2– + 2Н → Н2О2+ О2,

превращая О2 в менее реакционноспособные молекулы перекиси водорода и молекулярного кислорода.

СОД является ферментной системой, лимитирующей ско рость всего цикла превращений супероксидного аниона в другие активные формы кислорода и контролирующей тем самым ско рость перекисного окисления липидов.

Все супероксидддисмутазы являются металлопротеинами, обладают очень узкой субстратной специфичностью, действие их направлено только на полувосстановленную молекулу кислорода (О2–). СОД относится к весьма активным ферментам, активность СОД генетически запрограммирована. Высокий уровень СОД от мечается в печени, почках, эритроцитах, головном мозге, надпо чечниках, гипофизе, щитовидной железе.

Каталаза, разрушающая Н2О2 до О2 и Н2О.

Каталаза является наиболее распространенным ферментом, она содержится в печени, почках, мышцах, головном мозге, селе зенке, костном мозге, эритроцитах. Каталаза обычно локализована в пероксисомах и митохондриях. Каталаза — железосодержащий

315

Тема 28. Антиоксидантная защита организма

протопорфирин, обладающий бифункциональной активностью. Этот фермент может разлагать перекись водорода до воды и кисло рода (каталазная функция) и способен катализировать реакции окисления перекисью разнообразных эндогенных и экзогенных субстратов (пероксидазное действие). Каталазная активность пре обладает при высоких концентрациях перекиси водорода, перокси дазная — при низких уровнях. Наибольшее количество каталазы сосредоточено в печени и эритроцитах.

Пероксидаза, использующая Н2О2 для окисления определен ных субстратов.

В антиперекисных механизмах играет роль глутатионперок сидаза. Последняя, помимо перекиси водорода, использует в ка честве субстратов и органические перекиси, в том числе перекиси ненасыщенных жирных кислот, причем в детоксикации органиче ских перекисей участвует преимущественно селенонезависимая глутатионпероксидаза. По мере устранения избытка перекиси водо рода происходит уменьшение восстановленных форм и увеличение окисленных форм глутатиона. Сопряженно с этим процессом про текают реакции восстановления глутатиона за счет действия НАДФ*Н зависимого фермента глутатионредуктазы. Необходи мый для этой реакции НАДФ*Н генерируется преимущественно в реакциях глюкозомонофосфатного шунта, в частности, при действии дегидрогеназы глюкозо 6 фосфата.

Ферментные антиоксидантные защитные системы «гасят» свободные радикалы с помощью потока протонов (Н*), источни ками которых служит фонд НАДФ*Н, пополняющийся за счет реакции пентозофосфатного цикла. Молекулярные механизмы поддержания гомеостаза при действии активных форм кислорода

иперекисных соединений включают не только ферментные, но

инеферментные биохимические системы.

Система низкомолекуляных регуляторов, обладающих анти окислительными свойствами за счет прерывания цепных реакций, инициируемых продуктами «паразитарных» реакций: витамин Е, стероидные гормоны, аминокислоты, содержащие SH группы (глютатион, цистеин), аскорбиновая кислота, витамины А, К, уби хинон, мочевина.

316

Тема 29. Патогенез атеросклероза и дислипопротеидемии

Действие α токоферола направлено на нейтрализацию ради калов некислородной природы. Токоферол встраивается в липид ный слой и оказывает преимущественно мембранопротекторное действие, но в случае передозировки активирует ПОЛ.

β каротиноиды, богатые двойными связями, взаимодействуют с синглетным кислородом, при этом кислород из синглетного пере ходит в триплетное состояние. Определенный вклад в защиту орга низма от радикальных повреждений могут давать эндогенные ме таболиты, обладающие антиоксидантной активностью. К их числу относятся некоторые аминокислоты (цистеин, метионин, гисти дин, аргинин), мочевина, холин, восстановленный глутатион, сте рины, ненасыщенные жирные кислоты. Низкомолекулярные тиолы и аскорбиновая кислота относятся к водорастворимым ан тиоксидантам. Показано, что при недостаточности антиокси дантных витаминов в организме происходит увеличение актив ности супероксиддисмутации и глутатионредуктазы.

Церулоплазмин, являясь белком острой фазы воспаления, выступает как оксидаза и ингибирует инициаторы ПОЛ, считается основным сывороточным компонентом антиоксидантной актив ности.

В целом, основной механизм действия антиоксидантов не ферментативной природы — «обрыв» свободнорадикальной реак ции, т. е. они выступают в роли «ловушек» свободных радикалов.

ПАТОГЕНЕЗ АТЕРОСКЛЕРОЗА Тема 29. И ДИСЛИПОПРОТЕИДЕМИИ

1. Патогенез атеросклероза. Особенности артериальной стенки:

1)интима и внутренняя часть медии сосудов не содержат ка пилляров, что исключает прямой обмен между кровью и клеткой;

2)через артериальную клетку происходит постоянный мед ленный ток плазмы крови с низкомолекулярными соединениями;

3)эндотелий представляет основное препятствие для прохожде ния высокомолекулярных соединений из плазмы крови в интиму;

4)большая часть макромолекулярных соединений в арте риальной стенке легко метаболизируется;

317

Тема 29. Патогенез атеросклероза и дислипопротеидемии

5)в артериальной стенке создаются условия для накопления липопротеидов, интима артерий обладает высоким сродством

капо В, содержащим ЛП и способна накапливать их в концент рациях, превышающих таковые в плазме;

6)липопротеиды сами по себе не оказывают повреждающего действия на артериальную стенку до тех пор, пока не произойдет их распад и освобождение холестерина;

7)холестерин — единственный липид, неметаболизируемый в артериальной стенке, оказывает прямое повреждающее дей ствие на артериальную стенку;

8)холестерин не растворяется в водной среде, единственный путь его утилизации — включение в растворимые липопротеид ные комплексы и выведение его через паравазальную сеть;

9)артериальное давление способствует проникновению в ар терии пламенных белков, в том числе липопротеидов.

Теории патогенеза атеросклероза Теория липопротеидной инфильтрации интимы, разработанная

Н. Н. Аничковым, основывается на проникновении плазменных липопротеидов в интиму артерий и взаимодействии проникших в интиму липопротеидов с ее клетками. Эндотелий представляет собой монослой клеток с небольшими межклеточными канала ми, ширина которых часто не превышает 3–4 нм. Эндотелиаль ные клетки артерий способны захватывать частицы ЛПНП путем специфического эндоцитоза при участии специальных В и Е ре цепторов, расположенных на клеточной мембране. Указанный путь захвата липопротеидных частиц направлен только на обеспе чение клетки холестерином и не приводит к накоплению липо протеидов и холестерина в клетке, так как клетка обладает меха низмом регулирования синтеза В и Е рецепторов и собственного холестерина. Этот механизм основан на принципе отрицательной обратной связи, поэтому поступления липопротеинов и холесте рина в субэндотелиальное пространство (интиму) не происходит. Но эндотелиальные клетки могут осуществлять и нерегулируе мый захват липопротеидных частиц путем пиноцитоза, который

318

Тема 29. Патогенез атеросклероза и дислипопротеидемии

вотличие от рецептор опосредованного проникновения не пре кращается, или путем скавенджер захвата. Часть липопротеидных частиц, захваченных эндотелиальной клеткой, не задерживается

вней, покидает ее путем экзоцитоза и попадает в субэндотелиаль ное пространство, что особенно важно в условиях гиперхолестеи немии. Липопротеидные частицы могут проникать из плазмы

всубэндотелиальное пространство и через межклеточные проме жутки, которые при гиперхолестеринемии частично или пол ностью раскрываются до размеров частиц липопротеидов высокой плотности. Препятствием на пути проникновения липопротеи дов в более глубокие слои сосудистой стенки является внутренняя эластическая мембрана, поэтому липопротеиды накапливаются

всубэндотелиальном пространстве, в ответ на этот процесс и разви вается выраженная морфологическая реакция. Проникновение липопротеидов в артериальную стенку в значительных количествах осуществляется только через участки поврежденного эндотелия («ответ на повреждение»). Повреждение эндотелия происходит при воздействии гемодинамических факторов, токсинов, вследствие образования тромбов, т. е. при прямом контакте плазменных липо протеидов с гладкомышечными клетками и фагоцитами интимы. Подтверждением этого является факт локализации атеросклероти ческой бляшки в дуге аорты, в области бифуркации, в местах отхож дения артерий, в участках выше места сужения под действием гемо динамических факторов — артериальное давление, турбулентность тока крови, удар пульсовой волны. Причем клетки регенерирующе го эндотелия осуществляют более эффективный эндоцитозный захват липопротеидных частиц. Повреждение эндотелия облегчает поступление липопротеидов в интиму артерий, способствует адге зии тромбоцитов на поврежденной поверхности эндотелиального монослоя и освобождению тромбоцитарного фактора, активирую щего пролиферацию клеток.

Каким бы путем плазменные липопротеиды ни проникали

всубэндотелиальное пространство, они обязательно взаимодей ствуют с клетками интимы и прежде всего — с гладкомышечными

319

Тема 29. Патогенез атеросклероза и дислипопротеидемии

клетками и макрофагами. Макрофаги наиболее активно захваты вают не нативные частицы липопротеидов низкой плотности, а частицы, подвергнутые изменениям, — химически модифициро ванные липопротеиды, потерявшие свою нативную структуру. Не регулируемый захват липопротеидов макрофагами осуществ ляется с помощью рецепторов, отличных от В и Е рецепторов. Их 7 типов: рецепторы к ацетилированным ЛПНП, к β липопротеидам очень низкой плотности, к декстран сульфату, к реминантным частицам хиломикронов, к комплексу белок эфир холестерина, Fс рецепто ры, с помощью которых макрофаг захватывает иммунные комплек сы липопротед—антитело, В и Е рецепторы. Эфиры холестерина, накапливающиеся в макрофагах, подвергаются гидролизу в лизосо мальном аппарате при действии кислой липазы. Освободившийся холестерин проходит через лизосомные мембраны в цитоплазму клетки, затем часть холестерина экскретируется клеткой при условии наличия в среде акцепторов холестерина (ЛПВП, эрит роциты); другая часть холестерина поступает в эндоплазматиче ский ретикулум, где снова реэстерифицируется при участии олеи новой кислоты, АТР и коэнзима А. Гладкомышечные клетки и макрофаги, накопившие модифицированные липопротеиды, превращаются в пенистые клетки; именно эти сконцентрировав шие в себе липопротеидный холестерин клетки «изливают» его при своем распаде в интиме и дают начало образованию липид ных пятен и полосок. Способность макрофагов захватывать мо дифицированные липопротеиды рассматривается как защитная функция, направленная на поддержание гомеостаза во внекле точной среде и на удаление «чужеродного».

В атеросклеротических поражениях артерий всегда присут ствуют перекиси липидов, которые легко образуются при нефер ментативном аутоокислении жирных кислот, входящих в состав триглицеридов и фосфолипидов, и при окислении холестерина.

Перекисная теория патогенеза атеросклероза предполагает, что проникновение липопротеидов, содержащих окисленные фосфолипидные ацилы и гидроперекиси холестерина в стенку со суда, или образование перекисей липидов в самой стенке может

320