Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Свободно-радикальные процессы в биологических системах при воздействии факторов окружающей среды. Монография
.pdf
К.Н. Новиков, С.В. Котелевцев, Ю.П. Козлов
СВОБОДНО-РАДИКАЛЬНЫЕ ПРОЦЕССЫ
В БИОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ
ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ФАКТОРОВ
ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
Москва
Российский университет дружбы народов
2011
1
УДК 574
ББК 28.081+24.213.7
Н 73
Утверждено
РИС Ученого совета
Российского университета
дружбы народов
Рецензенты:
заслуженный профессор МГУ им. Ломоносова,
доктор биологических наук В.Д. Федоров;
доктор биологических наук В.М. Гусаков
Новиков, К.Н.
Н 73 Свободно-радикальные процессы в биологических системах при
воздействии факторов окружающей среды: монография [Текст] /
К.Н. Новиков, С.В. Котелевцев, Ю.П. Козлов. – М.: РУДН, 2011. –
199 с.: ил.
ISBN 978-5-209-03659-3
Рассматриваются вопросы, связанные со сравнительной оценкой свойств
и механизмов действия активных форм кислорода (АФК) и других свободных радикалов на биологические структуры и процессы, с диагностикой, тестированием и корректировкой состояния живых объектов при их отклике на воздействие факторов
окружающей среды. Основное внимание уделяется выяснению условий инициации
и протекания свободно-радикальных
систем. Особую роль АФК и другие свободные радикалы играют при поддержании
жизнедеятельности организмов в окружающей среде, в адаптивных реакциях, в обеспечении надежности работы защитных систем организма. Экологические факторы,
такие, как вода, воздух, свет, температура, пища, помогают организму, во-первых, все
время поддерживать определенный
ректировать функциональные нарушения в организме. Ионизирующая радиация
и химическое загрязнение существенно модифицируют уровень свободных радикалов
в биосистемах и могут приводить к необратимым изменениям в клетке, организме,
экосистеме. В книге обсуждаются конкретные экспериментальные и клинические
материалы и результаты, которые предлагаются к рассмотрению в качестве опреде
ленных моделей и методических подходов, позволяющих разрабатывать комплексные
биологические тест-системы на основе реакций с участием свободных радикалов.
Предложено рекомендовать эти тест-системы для выявления патологических состояний организмов и их коррекции, эколого-токсикологического анализа водных экосистем, для выделения групп риска среди населения и прогноза развития нарушений на
неблагополучных
Для экологов, биофизиков, биохимиков и медиков, специалистов в области
экологической токсикологии, а также студентов и аспирантов.
по состоянию окружающей среды территориях.
ISBN 978-5-209-03659-3 ББК 28.081+24.213.7
© Новиков К.Н., Котелевцев С.В., Козлов Ю.П., 2011
© Российский университет дружбы народов, Издательство, 2011
процессов на разных уровнях организации био-
уровень свободных радикалов, а, во-вторых, кор-
-
2
ВВЕДЕНИЕ
Кислород – основа существования и развития жизни
на нашей планете. В отсутствие фотосинтеза жизнь «белковых
тел» возможна только в некоторых экосистемах, например,
в глубинах океана, за счет растворенного в воде кислорода
(Voeikov and Del Giudice, 2009) и где происходят выбросы серы
и органических веществ из земной коры (Kochetkova, 2011).
Жизнь невозможна без процессов окисления и, естественно,
восстановления.
Действительно, кислород и его активные формы (АФК)
являются не только основой метаболизма, но и фактором, определяющим старение и гибель – в основном за счет развития
свободно-радикальных цепных реакций перекисного окисления
липидов (ПОЛ) мембранных стру
ктур
клетки.
Антропогенные факторы окружающей среды: радиоактивное излучение, интенсивное световое излучение (в первую
очередь лазеры), электромагнитные волны, а также ряд химичеких веществ способны индуцировать свободно-радикальные
процессы в клетке и не только влиять на здоровье людей,
но и модифицировать подвергающиеся воздействию этих факторов экосистемы.
Некоторые исследователи (Ску
лачев, 2000; Skulachev,
2002) считают, что основным факторам борьбы со старением
является защита клеточных стру
ктур от АФК с помощью антиоксидантов. Антиоксидантные свойства химических соединений лежат в основе громадного количества лекарственных препаратов.
Природные антиоксиданты зарекомендовали себя как ве-
щества, продлевающие активну
ю жизнь. Они являются
факторами, защищающими нас от самых опасных заболеваний: нарушений в сосудистой системе (включая атеросклероз), предот-
3
вращают развитие аллергий, онкологических заболеваний, болезней, связанных с радиоактивным и электромагнитным облучением (Rebrov et al., 2011; Huttunen et al., 2011). С другой стороны, свободно-радикальные реакции с участием АФК, протекающие как в растениях, в том числе и при фотосинтезе,
так и в тканях животных, зависят от антропогенных факторов
окружающей среды и являются одним из важнейших биоиндикаторов, позволяющих оценивать состояние экосистем.
Таким образом, живые организмы в своей жизнедеятельности не могут обходиться без потребления кислорода, за счет
которого они способны выполнять разнообразные энергоемкие
метаболические процессы: производить су
энергией, т
.е. осуществлять реакции ассимиляции и диссими-
бстраты
, богатые
ляции, поддерживая устойчиво-неравновесное состояние гомеостаза организмов, а также осу
кации
(Бауэр, 1935; Воейков, 2003; Котелевцев, 2010).
ществлять функции детокси-
Самые разнообразные свойства животных связаны
с трансформацией поступающего при дыхании жабрами, кожей
или легкими кислорода в его активные формы и образующегося
при этом электронного возбуждения, которое преобразуется
в фонд энергии. На протяжении уже более чем полувека внимание исследователей привлекает изучение окислительновосстановительных процессов, протекающих в организме с участием АФК.
АФК – это высокореакционные химические частицы, возникающие в результате последовательного одноэлектронного
восстановления молекулы кислорода и представляющие собой
свободные радикалы (О
•-
2
•
, НО
, НО•, NO•, ROO•). К АФК мож-
2
но отнести и другие соединения, легко продуцирующие свободные радикалы (О
, 1О*2, ОNOOH, H2O2, HClO, ROOH,
3
ROOR).
АФК запускают цепные свободно-радикальные реакции,
приводящие к химической модификации важных биологических структур, таких, как нуклеиновые кислоты, белки, липиды
(Pattison et al., 2002). За эти модификации, как полагают, прежде всего ответственно ПОЛ, радикальные и молекулярные про-
4
дукты которого обладают выраженным повреждающим действием, приводящим к развитию патологических состояний
(Beckman and Ames, 1998 и др.). При этом оставались незамечанными некоторые особенности ПОЛ. Так, например, почти
не обсуждалось, имеет ли физиологическое значение тот факт,
что в липидах клеточных мембран, различных тканях и органах
нормально функционирующего организма всегда можно обна-
ружить значимые количества первичных и вторичных проду
тов ПОЛ без выраженных
нарушений гомеостаза. Не придавали
к-
должного значения возможной роли малонового диальдегида
(МДА) и других так называемых «ТБК-активных продуктов»,
как карбонильных соединений, в аккумуляции и трансформации энергии электронного возбуждения и таким образом поддержании процессов «горения» в организме (Cilento and Adam,
1995; Баскаков и Воейков, 1996). Наряду с реакциями дисмутации и распада перекиси, катализиру
протекающими с выделением энергии (не менее 1-2
емых СОД и каталазой,
эВ), происходят реакции окисления карбонильных соединений. Эти реакции обладают еще более высоким энергетическим эффектом
и катализируются пероксидазами, которые выступают здесь
в роли оксидаз. Так, например, при катализировании пероксидазой (POX) окисления альдегидов образу
чивый
(а, значит, энергонасыщенный) диоксиэтан, который
ется очень неустой-
быстро распадается до ацетона в триплетном состоянии
и муравьиной кислоты (Adam et al., 1986):
O−H
O
O
R
R
║
║
│
│
R−C−C−X + O2⎯→ [ R−C−C−X ] ⎯→ R2C=O* + XCO2H
R−C−C−X + O2⎯→ [ R−C−C−X ] ⎯→ R2C=O* + XCO2H
│
│
H
H
POX
POX
POX
POX
O−H
R
R
│
│
O−O
O−O
O−O
│
│
││
││
││
.
Такому окислению могут подвергаться многие природные
органические соединения, в том числе, по-видимому, и МДА.
При их переходе из триплетного возбужденного в основное
синглетное состояние наблюдается люминесценция в области
375-420 нм, что соответствует энергии квантов 2,9-3,3 эВ.
5
Еще в конце XIX века русский биохимик А.Н. Бах указал
на важную роль перекисных соединений, именно как продуктов
реакций АФК, в процессах медленного окисления различных
соединений, а также в нормальной жизнедеятельности организмов (Бах, 1897). К настоящему времени появилось значительное число экспериментальных работ, показывающих, что
практически во всех клетках и тканях организмов присутствуют
ферментные системы оксидазного типа, продуцирующие АФК
(Babior, 1999; Jones et
нормореакции
организмов коррелируют с интенсификацией
al., 2000), и что многие физиологические
продукции АФК (Sauer et al., 2001). По минимальным оценкам,
в состоянии покоя при дыхании у животных и человека на продукцию АФК уходит от 10 до 30% молекулярного кислорода
(Лукьянова и др., 1982). Однако в норме стационарный уровень
АФК в органах и тканях весьма низок (порядка 10
-10
– 10
-11
M)
за счет распространенности в них мощной ферментативной
и неферментативной систем регуляции накопления и устранения АФК.
Биологические системы, в которых происходит образование супероксиданион радикала и других продуктов восстановления молекулы кислорода, ответственны за генерацию энергии
электронно-возбужденных состояний (ЭВС) (Шляпинтох и др.,
1966; Владимиров и Арчаков, 1972). Эта энергия может передаваться от мест генерации к местам реализации как с некоторой
потерей в виде излучения, так и путем безызлучательного переноса и играть физиологическу
электронно-
возбужденных частиц и молекул (например, карбо-
ю роль. За счет накопления
нильных соединений) и освобождения энергии ЭВС при их
релаксации в клетке могут осуществляться энергоемкие процессы (Рид, 1960; Жу
равлев, 1972; Cam
pbell, 1988; Cilento and
Adam, 1995). Происходить это может только в определенных
условиях. Основа таких условий лежит в том, что ЭВС само по
себе – колебание. Только когда колебания молекул организма
совпадают с энергией ЭВС, тогда и возникает резонанс, запускающий всевозможные биохимические процессы (Баскаков
и Воейков, 1996; Воейков, 2003).
6
В организме энергии ЭВС запасается относительно немного, и она сама не может осуществлять какую-то работу,
но может быть функционально важной для процессов жизнедеятельности – играть роль своеобразной искры (специфический сигнал), «свечи зажигания» (энергии активации биохимических реакций), запускающей другие источники энергии.
В частности, эти своеобразные процессы «горения» не требуют
затрат энергии АТФ. Напротив, как было показано в 90-е годы
прошлого столетия, без генерации АФК и образования ЭВС не
могут быть осу
ществлены
реакции освобождения энергии, запасенной в молекуле глюкозы, т.е. реакции гликолиза и цикла
Кребса (Кондрашова, 1989 и др.). Безусловно, та биоэнергетика,
которую связывают с окислительным фосфорилированием
в митохондриальных стру
ктурах
и синтезом в результате этого
процесса макроэргических соединений (Скулачев, 1962, 2000),
играет важную роль в обмене веществ.
Таким образом, совершенно не умаляя возможных нежелательных последствий от возникновения свободных радикалов
и ПОЛ в клетках и тканях, следует иметь в виду их положительную роль в функционировании живых организмов и адаптации к воздействию факторов окру
жающей среды. В
связи
с этим важно выяснить, в чем различие механизмов действия
АФК в малых и больших дозах под воздействием различных
факторов окружающей среды, понять, когда наступает сбой
в системах, отвечающих за гомеостаз в клетке и в организме
в целом.
Особую роль АФК и другие свободные радикалы играют
при поддержании жизнедеятельности организмов в окру
щей среде, в адаптивных реакциях
, в обеспечении надежности
жаю-
работы защитных систем организма (иммунная система и система детоксикации), т.е. в процессах, которые обеспечивают
гомеостаз, физиологический статус и взаимоотношения организмов в биоценозах (Bingham, 1991; Stepanova et al., 2000;
Meier, 2001; Wassmur et al., 2010 и др.).
7
Основное внимание мы хотели уделить выяснению условий инициации и протекания процессов, связанных с участием
АФК, на разных уровнях организации биосистем – молекулярном, клеточном и организменном и возникающих в ответ на
воздействие разнообразных факторов окружающей среды. Такие экологические факторы, как свет, воздух и вода, продукты
питания, помогают организму, во-первых, все время поддерживать возникновение и утилизацию энергии ЭВС, а, во-вторых,
корректировать функциональные нарушения в организме. При
этом не надо забывать, что каждый организм имеет некий предельный запас адаптивных возможностей, позволяющих ему
«подстраиваться» к изменениям в своем экологическом окружении. Важнейшими факторами внешней среды, необходимыми для жизнедеятельности изу
всего являются
естественные компоненты биосферы – вода,
кислород воздуха, отрицательные аэроионы – О
чаемых нами объектов, прежде
•-
(Н2О)m, свет,
2
температура. Среди повреждающих биологические системы
факторов мы в первую очередь рассматривали такие, как ионизирующая радиация и химическое загрязнение.
Мы исходили из информационного единства биосферы,
обеспечивающего целостность живых организмов и, на наш
взгляд, во многом определяющегося наличием в атмосфере кислорода и его активных форм, а в клетках и тканях присутствием окислительно-восстановительных ферментных систем, приводящих к генерации и превращениям АФК и других свободных радикалов. Они ведут и регу
лируют реакции
, которые необходимы как для нормальной жизнедеятельности, так и для
предотвращения возникновения патологических состояний,
в частности, под воздействием факторов окружающей среды.
8
ГЛАВА I
ПРОИСХОЖДЕНИЕ АКТИВНОГО КИСЛОРОДА
И ВОЗМОЖНОСТИ ЕГО УЧАСТИЯ В РАЗЛИЧНЫХ
РЕАКЦИЯХ СВОБОДНО-РАДИКАЛЬНОГО ХАРАКТЕРА
1.1. Реакции, приводящие к образованию АФК
Реакции одноэлектронного восстановления кислорода относятся к типу окислительно-восстановительных и свободнорадикальных реакций, в результате которых происходит последовательное восстановление молекулярного кислорода до АФК.
Способов активации триплетного молекулярного кислорода
немного. Практически все доступные ему доноры электронов –
синглетные молекулы, а прямая реакция триплетной молекулы
с синглетной с образованием проду
невозможна (Eyring, 1935). Именно поэтому молекулы,
нии
ктов в синглетном состоя-
которые могут отдавать кислороду электроны, не сгорают немедленно в его присутствии. Активации кислорода, например,
способствует поглощенный соответствующий квант энергии,
переводящий молекулу кислорода в возбужденное синглетное
состояние. В этом состоянии ему уже легко взаимодействовать
с синглетными молекулами. Кислород также могут активировать металлы с переменной валентностью (наиболее изу
ми в этом смысле являются
торых меняется спиновое состояние О
ионы железа), в поле действия ко-
. Наконец, кислород лег-
2
чаемы-
ко взаимодействует со свободными радикалами – частицами
атомной или молекулярной природы, имеющими нечетное число электронов. Свободные радикалы реагируют как с синглетными, так и с триплетными молекулами, а также с другими
свободными радикалами. Эти реакции, как правило, сопровождаются освобождением больших квантов энергии. Так как кислород, превращаясь в свободный супероксиданион радикал
•-
О
(значок «•» обозначает неспаренный электрон) или надпе-
2
9
рекисный радикал НО
•
, приобретает дополнительный элек-
2
трон, он намного легче захватывает последующие электроны
с освобождением на каждом этапе значительных порций энергии (Метелица, 1982). Из О
перекись водорода Н
как продукт реакции дисмутации су-
2О2,
•-
(НО
2
•
) может образовываться
2
пероксида:
•-
2О
+ 2Н+ = Н2О2 + 1О*2.
2
Вторым продуктом этой реакции является как раз возбу-
1
жденная молекула синглетного кислорода –
О*2 (значок «*»
обозначает ЭВС). Константа скорости этой реакции –
5•10
5 М-1с-1
при рН 7,0. Следовательно, время жизни О
•-
в вод-
2
ной среде, особенно в слабокислых условиях, очень мало
(Khan, 1978).
К АФК также относятся гидроксил-радикал ОН
ксильный радикал NO
•
ROO
(R обозначает остаток органической молекулы), в специфических случаях гипохлорит OСl
•
, радикалы органических перекисей
•-
. Результатом последова-
•
, нитро-
тельного присоединения 4-х электронов к молекуле кислорода
является образование Н
О (Лукьянова и др., 1982). Превраще-
2
ния АФК идут по типу цепных разветвленных реакций (Метелица, 1982). Если объединить все последовательные стадии
одноэлектронного восстановления кислорода до воды, то получится следующая система уравнений:
4О
+ 4e⎯ + 4Н+Æ 4НО
2
•
4 НО
2H
4O
Æ 2H2O2 + 2O2 + 23 ккал/моль Х 2 = 46 ккал/моль
2
Æ 2H2O + O2 + ~50 ккал/моль
2O2
+ 4e⎯ + 4H+Æ 2H2O +3O2 + ~ 180 ккал/моль.
2
•
+ 20 ккал/моль Х 4 = 80 ккал/моль
2
К АФК можно отнести и другие соединения, легко продуцирующие свободные радикалы (озон – О
, пероксинитрит –
3
ОNOOH, хлорноватистая кислота – HClO, гидроперекись (ГП) –
ROOH, органическая перекись ROOR), а также монооксид углерода – СО.
•
NO
и CO в настоящее время посвящено достаточно мно-
го работ, в которых им отводится роль сигнальных молекул
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]