Повреждающее действие свободных радикалов

Человеку, как и всякому многоклеточному организму, приходиться бороться с микробами, случайно попавшими внутрь его тела в кровь. Эту борьбу ведут специализированные клетки – фагоциты, к которым относятся гранулоциты и моноциты крови, и тканевые клетки – макрофаги. Все эти клетки, соприкасаясь с поверхностью клеток бактерий, начинают энергично выделять свободные радикалы в результате переноса электрона от НАДФН-оксидазного ферментного комплекса, встроенного в мембраны фагоцита, на растворенный молекулярный кислород:

НАДФН + 2O₂ → НАДФ ⁺ + 2O₂ ˙ˉ (супероксид анион-радикал)

При этом каждая молекула НАДФН, окисляясь, отдает два электрона в цепь переноса электронов, а каждый из этих электронов присоединяется к молекуле кислорода, в результате чего образуется супероксид-анион-радикал. Супероксидные радикалы могут нанести вред, как самим фагоцитам, так и другим клеткам крови и, разумеется, микробам, вызвавшим активацию макрофага. Естественно, что все эти клетки стараются избавиться от супероксид-радикалов, для чего они вырабатывают ферменты, называемые супероксиддисмутазами (СОД). Различаясь по строению активного центра и структуре полипептидной цепи, все СОД катализирует одну и ту же реакцию дисмутации супероксидного радикала:

При этом супероксид превращается в кислород и перекись водорода. Судьба последней может быть разной. В норме фагоциты используют перекись водорода для синтеза гипохлорита, выделяя специальный фермент – миелопероксидазу (МП). Миелопероксидаза катализирует реакцию:

Гипохлорит разрушает стенку бактериальной клетки и тем самым убивает бактерии. Перекись водорода диффундирует в клетки, но там разрушается в результате активности ферментов каталазы и глутатион-пероксидазы (GSH-пероксидазы), которые катализируют, соответственно, такие реакции:

В присутствии ионов двухвалентного железа перекись водорода разлагается с образованием гидроксильного радикала (HO ˙):

H₂O₂ + Fe ²⁺ → Fe ³⁺ + HO ˉ + HO ˙

Эта реакция (известная как реакция Фентона) приводит к печальным последствиям для окружающих клеток. Радикал гидроксила чрезвычайно активен химически и разрушает почти любую встретившуюся ему молекулу. Действуя на SH-группы, гистидиновые и другие аминокислотные остатки белков, HO ˙ вызывает денатурацию последних и инактивирует ферменты. В нуклеиновых кислотах HO ˙ разрушает углеводные мостики между нуклеотидами и, таким образом, разрывает цепи ДНК и РНК; в результате чего происходят мутации и гибель клеток. Внедряясь в липидный слой клеточных мембран, гидроксильный радикал запускает (инициирует) реакции цепного окисления липидов, что приводит к повреждению мембран, нарушению их функций и гибели клеток. Таким образом, радикал HO ˙ – это радикал-разрушитель, радикал-убийца. Гидроксильный радикал образуется не только в реакции Фентона. А.Н. Осиповым было показано, что гидроксильные радикалы образуются также при взаимодействии ионов железа (Fe ²⁺) с гипохлоритом.

Возвращаясь к реакциям утилизации перекиси водорода, можно сказать, что первая из них – реакция, полезная для организма, вторая и третья – защитные, а две последние – безусловно вредны для окружающих клеток и тканей. Супероксидный радикал и продукты его метаболизма (H₂O₂, HO ˙, ˙ OO ˉ, ClO ˉ) называют активными формами кислорода.

Избыточная активация реакций свободнорадикального окисления представляет типовой патологический процесс, встречающийся при самых различных заболеваниях и повреждающих воздействиях на организм. Начальным этапом развития окислительного стресса является избыточное образование высокоактивных свободнорадикальных форм кислорода. Причинами этого могут быть как нарушение функций митохондрий, например при гипоксии, с прекращением образования молекул воды – конечного продукта кислородного метаболизма – и накоплением промежуточных свободнорадикальных форм кислорода, так и подавление эндогенных антиоксидантных систем, нейтрализующих свободные радикалы. Образовавшиеся свободнорадикальные формы кислорода воздействуют на фосфолипиды, точнее, на ненасыщенные жирные кислоты, входящие в их состав и высвобождающиеся при распаде фосфолипидов, и подвергают их перекисному окислению. В ходе этого окисления образуются свободнорадикальные формы указанных кислот с повреждающими свойствами и токсичные продукты окисления. В результате происходит деструкция клеточных структур вплоть до гибели клеток.

Процессы перекисного окисления липидов (ПОЛ) постоянно происходят в организме и имеют важное значение. Влияние ПОЛ проявляется в обновлении состава и поддержании функциональных свойств биомембран, участии в энергетических процессах, клеточном делении, синтезе биологически активных веществ. Через стадию перекисных производных ненасыщенных жирных кислот осуществляется биосинтез простагландинов и лейкотриенов, а тромбоксаны, оказывающие мощное влияние на адгезивно-агрегационные свойства форменных элементов крови и микроциркуляцию, сами являются гидроперекисями. Образование гидроперекисей холестерина - одно из звеньев в синтезе некоторых стероидных гормонов, в частности, прогестерона.

Избыточная активация процессов цепного свободнорадикального окисления липидов может привести к накоплению в тканях таких продуктов, как липоперекиси, радикалы жирных кислот, кетоны, альдегиды, кетокислоты, что, в свою очередь, может привести к повреждению и увеличению проницаемости клеточных мембран, окислительной модификации структурных белков, ферментов, биологически активных веществ.