Антиоксидантные механизмы клеток

Антиоксиданты –это молекулы, обладающие лабильным водородным атомом с не спаренным электроном:

LOO + AH + LOOH + A-A

A + A = A-A

где АН – антиоксидант, А-А его стабильный несвободно радикальный продукт.

Множество антиоксидантов, вырабатываемых клетками и поглощаемых из вне 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.

Существуют три класса антиоксидантов:

Каталаза и глютатионпероксидаза – это энзимы предупредительного действия, поскольку они восстанавливают АКР (перекись водорода), провоцирующий 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 разветвлители 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, утилизирующие 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 железо-зависимым металлоферментом.

Главные антиоксидантные субстраты клеток – это тиоловые соединения. К ним относятсяглютатион, 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 альвеолоцитов – 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 глутатион дисульфид 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 В, Однако, аскорбиновая кислота амбивалентна в окислительно-восстановительных реакциях и способна оказать и прооксидантные эффекты, в частности, ускорял восстановление железа, усиливающего свободнорадикальные процессы. Прооксидантные эффекты витамина С преобладают при его малых дозах, а антиоксидантные – при больших, что, в какой-то степени, оправдывает рекомендации Л.Полинга замедлять старение и предупреждать повреждение клеток, в частности, при вирусных инфекциях и атеросклерозе, мега-дозами аскорбиновой кислоты (1983). Интересно, что, у приматов таким же, как витамин С, амбивалентным действием на редокс-состояние клеток обладает мочевая кислота.

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 десятидневный 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,-каротин действуют в комплексе и составляют антиокислительный резерв клеток, определяющий их резистентность к свободно-радикальному повреждению.

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. Аутоокисление липопротеидов является одним из механизмов атерогенеза, а свободно-радикальное повреждение ДНК способно вызывать канцерогенез, поэтому антиоксиданты проявляют протективное действие в отношении атеросклероза и опухолевых заболеваний.

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 в мире геохимическое содержание селена и рекордно малую продолжительность предстоящей жизни сорокалетних мужчин. Американский автор Уоллак обнаружил связь между муковисцидозом и дефицитом селена у беременных и новорожденных.

Тиоловыми антиоксидантами служат и богатые сульфгидрильными группами цитозольные белки (тиоредоксин), а также сывороточные белки макрофагального происхождения, такие как церулоплазмин, С-реактивный белок, гаптоглобин, -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 реакции 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». Типичный представитель этой группы протеинов – церулоплазмин является феррооксидазой и окисляет двухвалентное железо до трехвалентного без образования свободных радикалов. Особую роль в антиоксидантной защите играеттрансферрин – 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 ценностьгипоферремии 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-Р₄₅₀-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.

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.