1.3. Окислительный стресс и старение мозга

До сих пор наиболее популярной концепцией старения остается свободно-радикальная теория Хармана [Harman D., 1956], предположившего, что ведущую роль в ослаблении жизненных функций с возрастом играет окисление биополимеров АФК. Многочисленными исследованиями было установлено, что при старении действительно возрастает уровень окислительных повреждений ДНК, белков и липидов и свободнорадикальные процессы играют важную роль в патогенезе старения и связанных с ним заболеваний, в том числе – нейродегенеративных. На сегодня общепризнано, что окислительный стресс – нарушение баланса в системах генерации и детоксикации АФК – один из фундаментальных молекулярных механизмов патогенеза. Однако до сих пор остается не ясным, является накопление окислительных повреждений причиной или следствием возрастных изменений организма.

1.3.1.Роль активных форм кислорода в физиологических процессах

АФК постоянно образуются в клетках живых организмов в процессе нормальной жизнедеятельности (энергетического метаболизма, метаболизма моноаминов и др.). Основным источником АФК в соматических клетках являются митохондрии, которые и становятся центральным звеном в цепи событий, приводящих к запуску окислительного стресса. По образному выражению В.П. Скулачева, « «реостат», регулирующий продолжительность жизни, это скорость образования АФК внутри митохондрий» [цит. по Скулачеву В.П., 2005]. Образуются АФК также в микросомальной электронно-транспортной системе при биотрансформации эндогенных и чужеродных химических соединений [Ahmed S.P. et al.,1995], в процессах фагоцитоза [Kinnula V.L. et al., 2002]. Важна роль и системы цитохрома Р-450, локализованной в эндоплазматической сети [Gottlieb E. et al., 2003]. Кроме того, О₂^. образуется, ксантиноксидазой при катаболизме пуринов, гемоглобина, рибофлавина, катехоламинов [Halliwell В. et al., 1995; Lander Н.М., 1997; Halliwell В., 2006]. Образованию АФК способствуют нарушения активности дыхательных ферментов и специальной группы соединений, депонирующих избыточный кислород, поддерживающих внутри клетки стационарное напряжение кислорода [Скулачев В.П., 1996].

В нормально функционирующем организме концентрация кислородных радикалов находится под жестким контролем антиоксидантной защиты - специфических ферментативных и неферментативных механизмов, предупреждающих и устраняющих последствия повреждений, вызванных неизбежно протекающими в нём свободнорадикальными окислительными процессами [Владимиров Ю.А., 1998; Болдырев А.А., 2001; Меньщикова Е.Б. и др., 2008]. Так, из каждого миллиона, образующихся супероксидных радикалов от ферментативной защиты ускользает не более четырех [Анисимов В.Н., 2008].

Система антиоксидантной защиты включает низкомолекулярные соединения, которые связывают железо, являются «ловушками» электронов или обрывают цепную реакцию образования липоперекисей. Ключевым ферментом антиоксидантной системы является супероксиддисмутаза (СОД, превращает О₂^. в О₂ и Н₂О₂). Гидропероксид, если он не покидает внутриклеточное пространство, служит объектом действия каталазы (разлагает образующуюся Н₂О₂ на Н₂О и О₂) и пероксидазы (утилизируют Н₂О₂ для окисления их субстратов). Образующиеся в результате нерадикальные соединения – пероксид водорода или вода – не представляют непосредственной опасности для клетки. Токсичность пероксида водорода резко возрастает в присутствии металлов переменной валентности (например, Fe²⁺), которые катализируют реакцию Фентона. Её продукт – гидроксил-радикал – наиболее агрессивный фактор окислительной модификации клеточных структур [Владимиров Ю.А., 2000; de Moura M.B. et al., 2010]. Он может окислять молекулы белков, нуклеиновых кислот и особенно активно атакует липиды мембран, что приводит к активации процессов перекисного окисления липидов (ПОЛ) и изменению свойств клеточных мембран. Гидроксид-радикал способен разрывать связи в молекулах ДНК, химическую модификацию дезоксирибозы и самих нуклеиновых оснований, что может вызывать глубокие повреждения генетического аппарата клеток и их гибель [Grune T. et al., 2001; Levine R.L. et al., 2001; Dizdaroglu M. et al., 2002]. Агрессивным свободным радикалом является также пероксинитрит (ОNOОН), который образуется при взаимодействии оксида азота (NO^.) и анионрадикала кислорода.

Содержание перекисей (ROOH) в клетке регулируется пероксидазами, катализирующими реакцию ROOH  ROH. В водной среде функционируют глутатион пероксидаза митохондрий и каталаза пероксисом, использующие в качестве субстрата НООН, в липидном матриксе – Se-зависимая глутатион пероксидаза, инактивирующая липидные перекиси. К антиоксидантной следует отнести и системы устранения повреждений, вызванных АФК: ферменты репарации ДНК и деградации поврежденных структур. Деградации подвергаются белки, клеточные органеллы и сами клетки.

Неферментативные жирорастворимые антиоксиданты прерывают цепь свободнорадикальных реакций в липидной фазе мембран (витамины А, Е (токоферолы), К, убихиноны, стероиды, водорастворимые соединения: аскорбиновая кислота, глутатион, карнозин и другие тиолы, мочевая кислота, - реагируют с водорастворимыми радикалами и регенерируют α-токоферол [Sharma S., Sharma R., 2001; Jaruga P. et al., 2002; Меньщикова Е.Б. и др., 2008].

Список эндогенных веществ, потенциально способных участвовать и так или иначе вовлеченных в регуляцию уровня свободнорадикальных процессов, постоянно пополняется и на сегодня уже не представляется возможным четко ограничить систему антиоксидантной защиты, во всяком случае - ее неферментативное звено. В процессах свободнорадикального окисления участвуют стероиды [Xie H.H. et al., 2010], убихинон [Glover E.I. et al., 2010], биогенные амины - дофамин [Spencer W.A. et al., 2011] и серотонин [Ciobica A. et al., 2010], мелатонин [Pohanka M. et al., 2011] и др.

В последнее десятилетие существенно расширились представления о роли АФК в метаболизме здоровых клеток. АФК участвуют в нём в качестве инициаторов и промежуточных продуктов синтеза биологически активных соединений, таких, как лейкотриены, тромбоксаны, простагландины, стероидные гормоны [Bogdan С., et al., 2000; Chang J.C. et al., 2010]. Свободнорадикальное окисление является одним из естественных механизмов модификации липидного состава клеточных мембран, обусловливающим изменения их функциональных характеристик [Pollack M., Leeuwenburgh C., 2001]. Как сигнальные молекулы, АФК вовлечены в регуляцию физиологических процессов на всех уровнях - от активности внутриклеточных ферментов до нервной регуляции и регуляции сосудистого тонуса, от пролиферации и клеточной дифференцировки до апоптоза и экспрессии генов, запускают воспалительный ответ и обеспечивают микробицидность фагоцитирующих клеток [Droge W., 2002]. Достаточно недавно появились убедительные доказательства участия АФК и активных форм азота в синаптической пластичности – поцессах обучения и памяти [Hidalgo C. et. al., 2007]. Показано, что как сигнальные молекулы, АФК вовлечены в процесс долговременной посттетанической потенциации (long-term potentiation), в то время как их избыточная генерация провоцирует её возрастные нарушения. Долговременная посттетаническая потенциация – форма синаптической пластичности, рассматриваемая как субстрат обучения и памяти. Соответственно, в литературе обсуждается вопрос о том, как антиоксиданты могут модулировать этот процесс [Serrano F. et.al, 2004; Hu D. et.al, 2007].

Следствием окислительного стресса становятся не только окислительные повреждения макромолекул, но и изменение профиля экспрессии генов: усиление генерации АФК и NO приводит к активации путей внутриклеточной передачи сигналов, ответственных за запуск программы адаптивного ответа клетки, который обеспечивается через индукцию или репрессию разных сочетаний редокс-зависимых генов [Hemish J. et al, 2003; Kregel K.C. et. al., 2007].

По аналогии со стрессом по Селье - механизмом включения неспецифических адаптивных реакций организма в ответ на воздействие неблагоприятных факторов [Селье Г., 1979], АФК запускают каскады типовых защитных реакций на уровне клетки. Они активируют определенные факторы транскрипции, усиливают экспрессию ранних генов, синтез факторов антиоксидантной защиты, ферментов репарации, активируют белки теплового шока и усиливают экспрессию их генов. Одновременно подавляются процессы, сопряженные с генерацией активированных кислородных метаболитов – снижается скорость переноса электронов в дыхательной цепи, подавляются процессы биотрансформации в печени, подавляется экспрессия гена эритропоэтина, развивается каскад событий, направленных на подавление процессов окислительного метаболизма, сопряженных с генерацией кислородных радикалов. Таким образом, АФК «работают» как сенсоры высокого напряжения кислорода. В результате кратковременные субтоксические повышения уровня АФК индуцируют формирование защитных механизмов, которые в дальнейшем ослабляют негативные эффекты последующего окислительного стресса, повышают адаптивные резервы организма. [Starkov A.A., 2008; Ristow M., Zarse K., 2010].

Существуют убедительные доказательства участия низкомолекулярных АФК в межклеточных коммуникациях. Обеспечивая передачу внешнего сигнала к ядру, они, таким образом, влияют на экспрессию генов, в том числе – изменяя её при различных заболеваниях [Bishop N.A. et. al., 2010]. АФК включаются в передачу сигнала при взаимодействии с клетками цитокинов, ряда гормонов и нейромедиаторов, при этом в большинстве случаев они генерируются расположенной в плазматической мембране НАДФН-оксидазой [Brown D.I. et. al., 2009].

Накапливается всё больше данных, свидетельствующих о том, что, изменения в редокс-зависимых сигнальных путях могут вносить больший вклад в старение, чем накопление окислительных повреждений макромолекул [Blagosklonny M.V., 2008; Upham B.L., Trosko J.E., 2009]. Большинство возрастных заболеваний не являются следствием накопления вызванных окислительным стрессом повреждений. В основе их развития лежат изменения экспрессии генов, связанные с нарушением координации в клеточных сигнальных системах, обеспечивающих тканевой гомеостаз [Lambeth J.D., 2007].

Мозг – метаболически активный орган, расходующий в состоянии покоя от 20 до 25% вдыхаемого кислорода. Соответственно, в нейронах высока продукция АФК. Её чрезмерное усиление ведет к снижению эффективности когнитивных функций, но при физиологических концентрациях АФК участвуют в функциональных изменениях, необходимых для синаптической пластичности и, следовательно, для нормальных когнитивных функций. Тонкая грань в переходе АФК от роли «хороших» молекул к роли «плохих» находится в центе внимания исследователей в последние годы, но далеко не полностью изучена [Watson J.B. et. al., 2006; Massaad C.A., Klann E., 2010]. Важно, что вызываемые окислительным стрессом изменения транскриптома в характерном для старения направлении по времени опережают фенотипические проявления возрастных изменений мозга, в частности, изменения памяти, способности к обучению [Blalock E.M. et. al., 2003; Burger C. et. al., 2008].