Низкомолекулярные вещества

Жирорастворимые антиоксиданты. Витамины Е (α-токоферол), А (ретинол), убихинон (коэнзим Q), эстрогены обезвреживают свободные радикалы в жировом слое клеточных мембран. Жирорастворимые антиоксиданты(альфа-токоферол и каротиноиды) содержатся в жировом слое клетояных мембран и играют главную роль в защите основных структурных компонентов биомембран, таких, как фосфолипиды и погруженные в липидный слой белки.

Витамин Е. Из токоферолов биологически наиболее активным является α-токоферол. Он, как и витамин С, – донатор водородных ионов и называется «жертвоприносящим» антиоксидантом, ограничителем свободнорадикальных реакций. Альфа-токоферол превращается в радикал, который может дальше реагировать с другим перекисным радикалом и в результате образуется нерадикальное соединение. Он стабилизирует мембранные структуры, в которых совершаются процессы свободнорадикального окисления, угнетает образование липоперекисей, разрывает цепь свободнорадикального окисления путем нейтрализации свободных радикалов в момент их образования. Молекулы витамина Е локализуются во внутренних мембранах митохондрий. Они защищают их, а также лизосомы от повреждающего действия перекисей, поддерживают функциональную целостность внешней цитоплазматической мембраны клеток и являются основным фактором резистентности эритроцитов к гемолитическим ядам, важнейшим элементом защиты при действии различных повреждающих факторов, патологических состояниях. Альфа-токоферол, располагающийся в липопротеиновом слое клеточных мембран и защищающий клеточные мембраны от перекисного окисления, является главным жирорастворимым антиоксидантом в организме. Он эффективно прерывает цепные свободнорадикальные реакции в процессе переокисления ненасыщенных жирных кислот в мембранах, предупреждает атерогенные изменения ЛПНП. Являясь донатором водородных атомов, витамин Е может инициировать цепную радикальную реакцию пероксидации липидов. Его радикал незначительно активен в отношении свободных жирных кислот.

Установлено, что витамин Е способен тормозить образование полимерных продуктов окисления не только липидов, но и белков, ферментов, коферментов. Накоплены многочисленные сведения, что витамин Е является универсальным модификатором биологических мембран. Под его влиянием меняются состав, степень окисленности липидов и структурные характеристики бислоя и связанные с этим активность мембранных белков (ферментов, рецепторов, каналообразующих белков), происходит изменение проницаемости и заряда мембран. Доказано, что витамин Е участвует в энергетическом метаболизме клетки, опосредованно влияя на обмен одного из участников цепи транспорта электронов – коэнзима Q. Найдена зависимость между уровнем обеспеченности организма витамином Е и концентрацией убихинона в тканях. Установлено, что токоферол увеличивает интенсивность биосинтеза убихинона и снижает скорость биосинтеза циклического коэнзима Q (QC).

Известен феномен онкотропии витамина Е. Показано, что опухолевые клетки на определенных стадиях развития интенсивно поглощают и утилизируют токоферол. Полагают, что витамин Е может играть определенную роль в регуляции деления клеток.

В последние годы установлено имммуномоделирующее действие токоферола. Показано, что витамин Е стимулирует клеточный гуморальный и иммунный ответ как на тимусзависимые, так и на тимуснезависимые антигены, тормозит генерацию как антигенспецифических, так и антигеннеспецифических супрессоров, под его влиянием усиливается активность естественных киллеров.

Альфа-токоферол (витамин Е) содержится во всех злаках, в пророщенных зернах пшеницы и в растительных маслах, получаемых холодной выжимкой. По подсчетам ученых, только 20–40% алиментарного витамина Е усваивается организмом, поэтому рекомендуется принимать витамин Е дополнительно в качестве пищевой добавки.

Витамин А и каротиноиды. Витамин А необходим для образования серосодержащих биомолекул, связывания и обезвреживания эндогенных веществ и ксенобиотиков. Как антиоксидант он тормозит превращение сульфгидрильных групп в дисульфидные. Может участвовать в окислительно-восстановительных реакциях благодаря наличию двойных связей в молекуле, способности образовывать перекиси, которые повышают скорость окисления других соединений. Принимает участие в синтезе гликопротеинов, воздействует на метаболизм мембранных фосфолипидов. Антиоксидантное действие витамина А объясняется участием в обмене тиоловых соединений, нормализацией функционально-структурных свойств мембран. Он препятствует канцерогенному действию бензпирена и других веществ, что обусловлено способностью тормозить микросомальное окисление этих соединений. С антиоксидантным торможением превращения ксенобиотиков связаны и антимутагенные свойства витамина А. Окисленные промежуточные продукты β-каротина и витамина А могут иметь прооксидантные свойства. Установлено, что β-каротин наибольшую антиоксидантную активность проявляет при низком парциальном давлении в крови, хотя в целом как антиоксидант он уступает α-токоферолу. При высоком содержании кислорода β-каротин может проявлять прооксидантную активность. β-каротин расходуется при обезвреживании оксидированных липопротеидов низкой плотности, реагирует с синглетным кислородом. Он может реагировать с перекисными радикалами в так называемой добавочной реакции без донации гидрогенного атома. Промежуточные радикалы дериватов β-каротина могут взаимодействовать с O ₂, образуя перекисные радикалы, которые в дальнейшем способны инициировать цепную реакцию пероксидации липидов.

Соотношение концентраций в организме β-каротина и α-токоферола составляет около 1:20. β-каротин расходуется в организме после использования запасов α-токоферола.

Витамины С, Е, β-каротин составляют так называемую антиоксидантную витаминную группу. Их поступление в организм снижает риск развития рака, сердечно-сосудистых заболеваний, катаракты. Витамин А – естественный пищевой продукт, который помимо антиоксидантной роли необходим в организме для поддержания целостности мембранных структур, роста, развития. Витамин А влияет на процессы клеточной дифференциации, пролиферации, репродуктивные процессы, от уровня его содержания в организме зависит состояние иммунной системы, зрение. Предшественниками ретинола являются каротиноиды, которые превращаются в витамин А в тонкой кишке. Каротиноиды более эффективно, чем витамин А, уничтожают свободные радикалы, в т.ч. синглетный кислород, который может привести к развитию неопластического процесса. Каротиноиды даже при многолетнем применении и в достаточно высоких дозах не проявляют токсичность.

Имеется тесная связь между витамином А и другими антиоксидантами. Так, высокие дозы витамина А уменьшают содержание запасов в организме аскорбиновой кислоты. У животных витамин А может уменьшать активность витамина Е и понижать его уровень в плазме и печени (у человека это не подтверждено). Витамин Е предохраняет клетки от разрушения мембран, которое наблюдается при гипервитаминозе А, уменьшает тератогенный эффект. Витамин А уменьшает отрицательные эффекты токсичности витамина D у животных (в том числе гиперкальциемию). Может наблюдаться антагонизм между витаминами А и К: развивается гипопротромбинемия у людей с гипервитаминозом А. Недостаток в организме белка повышает риск развития гипервитаминоза. С высоким уровнем витамина А в сыворотке крови может быть связана гиперлипопротеинемия. Негативно влияет на обмен витамина А в организме (потребление, депонирование) недостаток железа и цинка.

Из всех каротиноидов β-каротин обладает наибольшей биохимической активностью. Фактически ингибитором свободнорадикального окисления, в т.ч. синглетного кислорода, является не ретинол, а β-каротин. Он, помимо выраженного антиоксидантного эффекта, принимает участие в процессах деления иммунокомпетентных клеток, синтезе иммуноглобулинов, в том числе секреторного иммуноглобулина А, интерферона, лизоцима и других факторов специфической и неспецифической защиты от инфекций, активирует ферменты лизосом в фагоцитах, что необходимо для переваривания патогенных микроорганизмов. Показано, что прооксидантное влияние ретинола проявляется при его концентрации в мембране 1 моль%, в более высоких дозах он обладает выраженным антиоксидантным действием, подобным витамину Е.

В последние годы получены данные о влиянии витаминов А и каротиноидов на генетический аппарат клетки. Известно, что витамин А циркулирует в крови в комплексе с ретинолсвязывающим белком, присоединение к которому в печени является обязательным условием поступления в кровь витамина. Низкий уровень ретинола и ретинолсвязывающего белка коррелирует с частотой развития опухоли. В работах последнего десятилетия активно исследуется иммуномоделирующая активность каротиноидов. Показано, что дополнительное введение витамина А нормализует ослабленный гуморальный и клеточный иммунный ответ при целом ряде заболеваний, вызывает увеличение массы тимуса, возрастание числа Т-лимфоцитов в периферической крови, стимулирует естественную киллерную активность, способствует снижению активности Т-супрессоров. При этом стимулирующий эффект наблюдается через 4–6 недель, однократный прием не вызывает достоверных изменений. Высокие дозы каротиноидов, напротив, вызывают развитие кратковременного обратимого состояния иммунодепрессии.

Каротиноиды – красные и оранжевые растительные пигменты. Наиболее известен бета-каротин, который является предшественником витамина А. Все каротиноиды в той или иной степени являются ловушками синглетного кислорода. Каротиноиды содержатся в красных и оранжевых фруктах и овощах, а так же, соответственно, в их масляных экстрактах и некоторых маслах. Наиболее богато каротиноидами масло облепихи, шиповника, пальмовое масло. В организме каротиноиды играют важную роль в качестве предшественника витамина А. При недостатке ретинола в организме приостанавливается рост и возникает тяжелое заболевание глаз – ксерофтальмия.

Убихинон (коэнзим Q). Убихинон (коэнзим Q) – фенол, по химической структуре близок к токоферолам. Убихинон необходим для течения в клетках процессов окисления и локализован преимущественно в мембранах митохондрий. Принимает участие в транспорте электронов по дыхательной цепи на участке между флавиновыми ферментами и цитохромами. Как и витамин Е, он является ингибитором радикалов фенольного типа, непосредственно реагирует с перекисными радикалами, уменьшает их концентрацию, стабилизирует мембраны. Витамин Е осуществляет первичную защиту от перекисного окисления, а убихиноны присоединяются к процессу после значительного использования витамина.

Убихинон обладает высокой антиоксидантной активностью, причем его эффективность в пять раз выше, чем у витамина Е. Это весьма существенно для митохондрий, где идут активные окислительные процессы и постоянно образуются свободные формы кислорода.

Биологическое действие коэнзима Q, как и токоферола, кроме антиоксидантной активности проявляется при выполнении ряда присущих ему специфических функций. Так, различные формы убихинона способны связываться с активными центрами ферментов и влиять на их активность. Убихинон и его производные, участвуя в процессах образования пероксида водорода, могут воздействовать на уровень активности АТФ-азной системы митохондрий, регулировать энергетические процессы в клетке, участвовать в терморегуляции гоймотермных животных, некоторых реакциях гидроксилирования, и, возможно, определять третичную структуру белка.

Убихроменол (QC) – циклический аналог коэнзима Q – в последние годы также привлекает значительное внимание. Считают, что QC не участвует в процессе переноса электронов в дыхательной цепи, который может осуществляться путем взаимопревращений окисленной и восстановительной форм, а, по-видимому, выполняет антиоксидантную функцию. Известно, что также существует определенная связь между уровнем индивидуальных биоантиоксидантов. Так характер изменения уровня коэнзима Q и его циклического аналога QC зависит от обеспеченности организма витамином Е. Установлено, что в тканях каждому гомологу коэнзима Q соответствует гомологичный ему QC. Последний синтезируется в организме животных из общих с коэнзимом Q предшественников, а не является продуктом спонтанного превращения коэнзима Q в процессе его выделения, как считали ранее.

Считают, что структурное сходство токоферола и веществ группы коэнзима Q обусловливает также общность выполняемой ими биологической роли, в том числе и антиоксидантной.

Эстрогены. Благодаря липидофильности стероидные гормоны имеют мембранотропные свойства. Из стероидных гормонов антиоксидантными свойствами обладают эстрогены. Активность свободнорадикального окисления повышается в период циклов, когда концентрация эстрогенов низкая и наоборот. Эстрогены регулируют микросомальное окисление, поддерживая активность монооксигеназной системы. При патологических состояниях, которые сопровождаются чрезмерным усилением процессов свободнорадикального окисления, эстрогены предупреждают нарушения микросомального окисления, противодействуют повреждению биомембран.

Именно, благодаря эстрогенам, у женщин во много раз реже встречается инфаркт миокарда (в отличие от мужчин).

Водорастворимые антиоксиданты (тиоловые соединения и аскорбиновая кислота) действуют во внутриклеточной и межклеточной жидкости и проявляют свое защитное действие в водной среде – в цитоплазме клетки или в плазме крови, инактивируя попадающие туда свободные радикалы.

Аскорбиновая кислота (витамин С) является мощным восстановителем, который предохраняет от окисления целый ряд биологически активных веществ. Известна роль аскорбиновой кислоты в метаболизме железа в организме. Организм человека усваивает только двухвалентное железо (Fe ²⁺), в то время как трехвалентное не только не усваивается, но и приносит много вреда, инициируя реакции перекисного окисления липидов. Восстановление Fe ³⁺ в Fe ²⁺ осуществляется аскорбиновой кислотой. Следует помнить, что в присутствии окислителей и особенно Fe ³⁺ витамин С очень быстро разрушается.

Такой важный водорастворимый антиоксидант, как аскорбиновая кислота в организме человека не синтезируется, а поступает с пищевыми продуктами (преимущественно овощами и фруктами), в т.ч. в виде окисленной формы – дегидроаскорбиновой кислоты. До сих пор не определены все ферменты, в состав простетических групп которых входит витамин С. Одним из основных свойств витамина является способность к окислительно-восстановительным превращениям. Аскорбиновая кислота способна окисляться в дегидроаскорбиновую кислоту и, таким образом, вместе с ней она представляет окислительно-восстановительную систему, теряющую и присоединяющую электроны и протоны. При этом витаминная активность не снижается (менее стойкая и теряет биологическую активность дегидроаскорбиновая кислота). Как важный компонент биологической антиоксидантной системы витамин С взаимосвязан с глутатионом и токоферолом. Он принимает активное участие в микросомальном окислении эндогенных и чужеродных веществ, стимулирует активность цитохромного звена, процессы гидроксилирования (играет роль восстановителя). От обеспеченности аскорбиновой кислотой зависит активность цитохрома Р-450, фагоцитарная активность нейтрофилов и макрофагов, их антимикробные свойства. Значительную защитную роль как антиоксидант витамин С играет при токсическом действии различных соединений. Аскорбиновая кислота является мощным антиоксидантом, синергистом β-каротина и токоферола. Дефицит аскорбиновой кислоты в организме, помимо снижения антиоксидантной защиты, сопровождается нарушением синтеза коллагена. Аскорбиновая кислота участвует в выработке энергии, необходимой для синтеза интерферона и других цитокинов. Всасываясь в кровь, аскорбиновая кислота быстро попадает в лейкоциты, усиливает их способность к хемотаксису.

Интенсивнее всего нейтрофилы поглощают витамин С во время «дыхательного взрыва», необходимого для биосинтеза бактерицидных свободнорадикальных субстанций. После активации фагоцитов содержание в них аскорбиновой кислоты падает. Обогащенные аскорбиновой кислотой нейтрофилы усиливают свою способность распознавать и уничтожать (чаще путем фагоцитоза) предраковые клетки, бактериальные, вирусные и другие чужеродные агенты. В норме концентрация витамина С в нейтрофилах в 150 раз выше, чем в плазме. Дефицит витамина С сопровождается снижением хемотаксической и бактерицидной активности лимфоцитов, добавки аскорбиновой кислоты усиливают пролиферацию лимфоцитов. Аскорбиновая кислота оказывает защитное действие по отношению к продуцируемой в легких α-1-протеазе (свободные радикалы, вырабатывающиеся во время «дыхательного взрыва», угнетают фермент). Добавки витамина С улучшают иммунные реакции за счет поддержания уровня содержания витамина Е в крови и тканях (витамин Е также является выраженным стимулятором иммунной системы. Усиление пролиферации лимфоцитов наиболее выражено при одновременном назначении витаминов С и Е. Дополнительное введение витамина С стабилизирует содержание витамина Е в плазме, тканях. И, наоборот, дефицит витамина С сопровождается снижением содержания витамина Е в тканях и плазме. Витамин С защищает противоокислительную активность витамина Е, представляет собой первую линию защиты в организме от действия различных свободных радикалов и других окислителей. Он ингибирует перекисное окисление липидов (хотя основную роль в этом играет α-токоферол), нейтрализует окислители, поступающие с загрязненным воздухом (NO, свободные радикалы сигаретного дыма), редуцирует канцерогенные нитроамины. Аскорбиновая кислота предотвращает пероксидацию холестерола ЛПНП и тем самым препятствует прогрессированию атеросклероза. Смесь аскорбиновой кислоты с ионами Аu или Сu in vitro может инициировать свободнорадикальные процессы, но в организме это не происходит так, как названные ионы металлов связаны белками. Хотя, локальная реализация этого эффекта в организме может иметь место.

Аскорбиновая кислота является кофактором для ряда монооксигеназ (гидроксилирование пролина, катаболизм тирозина).

Витамин К. Витамин К широко распространен в липидах. Под этим названием объединяется группа так называемых антигеморрагических факторов. Витамин К участвует в синтезе протромбина (фактор II), а также факторов VII, IХ, и Х. В тканях метаболистические превращения витамина К заключаются в образовании 2,3-эпоксида и витамина К-гидрохинона. Первый образуется из филлохинона при его окислении, катализируемом микросомной оксигеназой-эпоксидазой витамина К, входящей в состав ферментной системы витамин К-зависимого карбоксилирования. 2,3-эпоксид вновь восстанавливается в форму гидрохинона витамина К при последовательном участии двух тиолзависимых редуктаз. Было показано, что активной формой витамина К служит гидрохиноновая форма, участвующая в реализации его основной биологической функции – катализе карбоксилирования глутаминовой кислоты в ходе ферментной реакции.

Однако, механизм действия витамина К не исчерпывается только его коферментными свойствами. При его дефиците отмечаются значительные нарушения в структуре и функции биомембран, что позволяет рассматривать его в качестве одного из эссенциальных компонентов биомембран.

Витамин К относят к группе биоантиоксидантов. Показано, что in vitro его восстановленные формы проявляют чрезвычайно высокую антирадикальную активность. Многочисленными исследованиями установлена взаимосвязь между витамином К и Е. Так, обогащение организма токоферолом полностью или частично предохраняет от ряда биохимических нарушений, свойственных К-витаминной недостаточности. Установлено, что действие витамина Е направлено на те проявления дефицита витамина К, которые не связаны непосредственно с участием его в биосинтезе.

Серусодержащие соединения. Важным звеном антиокислительной системы являются биомолекулы, которые содержат сульфгидрильные группы. К ним относятся основные аминокислоты – цистеин, цистин, метионин. Они входят в состав белков, активных центров ферментов, ряда гормонов (инсулин, окситоцин), служат предшественниками глутатиона, коэнзима А. Основной мобильный фонд сульфгидрильных групп представляет собой глутатион (трипептид Glu-Cys-Glu), который содержится почти во всех клетках. Его антиоксидантное действие катализируют глутатионпероксидаза, глутатионредуктаза, глутатион-S-трансфераза. Глутатионпероксидаза содержит селен и играет основную роль в инактивации липидных гидроперекисных соединений. Глутатионредуктаза поддерживает достаточный уровень активного глутатиона путем восстановления его дисульфидной формы. Восстановленный глутатион осуществляет детоксикацию перекиси водорода (H₂O₂) и гидроперекисей, которые возникают при реакции активных форм кислорода (АФК) с полиненасыщенными жирными кислотами мембран. Основной функцией глутатион-S-трансферазы (функционирует в гепатоцитах) является детоксикация ряда соединений путем переноса на них атомов серы с последующим образованием меркаптидов (соединений серы с металлами), глутатионпроизводных чужеродных веществ.

Липоевая кислота функционирует как окислительно-восстановительная система: она может существовать в окисленной (–S–S–) и восстановленной (SH) форме, реализуя таким образом свои коферментные функции. Участвует в окислительном декарбоксилировании α-кетокислот (пировиноградной, кетоглютаровой), является простетической группой пируват- и кетоглютарат-дегидрогеназной системы (вместе с тиаминпирофосфатом и КоА).

Церулоплазмин – транспортная форма меди является универсальным внеклеточным «гасителем» свободных радикалов. Он имеет супероксиддисмутазную активность: восстанавливает в крови супероксидные радикалы до кислорода и воды и этим защищает от повреждения липидные структуры мембран. Одной из основных функций церулоплазмина является нейтрализация свободных радикалов, которые освобождаются вовне макрофагами и нейтрофилами во время фагоцитоза, а также при интенсификации свободнорадикального окисления в очагах воспаления. Он окисляет разные субстраты: серотонин, катехоламины, полиамины, полифенолы, превращает двухвалентное железо в трехвалентное. Церулоплазмин переносит медь из печени к органам и тканям, где она функционирует в виде цитохром-С-редуктазы и супероксиддисмутазы. Фермент является фактором естественной защиты организма при воспалительных, аллергических процессах, стрессовых состояниях, повреждениях тканей, в частности, при инфаркте миокарда, ишемии.

Фенольные соединения (флавоноиды, полифенолы). Основой структуры фенольных веществ является углеродный скелет, имеющий гидроксильные, метильные, метоксильные, ацетильные и другие группировки. Они способны к легкой ступенчатой отдаче электронов и имеют два механизма антиоксидантной активности: инактивируют окислительные свободные радикалы, а также образуют стабильные комплексы с металлами (железом, медью, кобальтом, цинком, молибденом, алюминием) и выключают их каталитическое действие. Молекулы фенольных соединений, нейтрализуя и инактивируя радикал, сами превращаются в малоактивные радикалы. В организме человека синтезируется ряд фенольных соединений – медиаторов: производные пирокатехина (адреналин, норадреналин, дофамин). К фенольным соединениям также относятся триптофан, фенилаланин, витамины Е и К, убихинон, тиреоидные и стероидные гормоны. Антирадикальную активность имеют только восстановленные формы фенольных соединений, а хинонные формы являются слабыми антиоксидантами. Аскорбиновая кислота восстанавливает хинонные формы, возвращая им, таким образом, антиокислительные свойства. Переход фенольных форм в хинонные является средством регуляции свободнорадикального окисления мембран. Значительное накопление фенольных форм естественных антиоксидантов может сопровождаться интенсификацией свободнорадикального окисления со снижением содержания антиоксидантов. Фенольные соединения способны также образовывать стойкие комплексы с медью, железом, которые катализируют реакции СРО.

Считают, что в условиях стресса регуляторные механизмы дополнительно выбрасывают в кровь антиоксиданты – биологически активные фенольные соединения: адреналин, норадреналин, дофамин, серотонин, а также тиреоидные и стероидные гормоны. Однако, при действии перечисленных соединений (в первую очередь, катехоламинов) в организме, в частности в нейтрофильных лейкоцитах, усиливаются катаболические процессы, в том числе перекисное окисление полиненасыщенных жирных кислот.

Флавоноиды in vitro ингибируют пероксидацию липидов. Они, как и аскорбиновая кислота, в смеси с ионами Fe, Cu могут выступать в роли прооксидантов. Их антиоксидантная роль in vivo не изучена в достаточной мере.

Внеклеточные антиоксидантные механизмы. К внеклеточным антиоксидантным механизмам относятся трансферрин (железотранспортный протеин), лактоферрин (железосвязывающий протеин). Находясь в составе указанных протеинов, железо не катализирует свободнорадикальные повреждения. Не стимулирует также свободнорадикальные реакции железо в составе ферритина. Свободный гем и гем протеина, обладающие минимальной способностью катализировать свободнорадикальные повреждения, связываются с гемопексином и гаптоглобином.

Обезвреживать свободные радикалы, связывать ионы меди может альбумин, молекула которого содержит одну сульфгидрильную группу.

В качестве водорастворимого антиоксиданта рассматривается мочевина – конечный продукт пуринового обмена. Обезвреживать свободные радикалы может мочевая кислота, содержащаяся во внутренних средах организма (0,5 ммоль/л). Существуют ферменты, обезвреживающие поврежденные свободными радикалами протеины, окисленные жирные кислоты, а также ДНК.

Биофлавоноиды – большая группа полифенолов, которые содержатся в водных экстрактах различных растений. Некоторые биофлавоноиды действуют как ловушка гидроксил-радикала (катехин, эпикатехин, рутин). Другие (кверцетин) не снижают содержание гидроксила, зато ингибируют продукцию супероксиданион-радикала (СОД-подобная активность). Третьи (морин) не влияют ни на гидроксил, ни на супероксиданион-радикал, но, тем не менее, проявляют высокую антиоксидантную активность.