Свободнорадикальное окисление и антиоксидантная система организма

Одна из особенностей окислительно-восстановительных ре­акций - возможность их протекания как по гетеролитическому механизму, когда реагирующими частицами являются электрофил (окислитель) и нуклеофил (восстановитель), так и по гемолитическому механизму, когда реагирующими частицами явля­ются радикалы. Все окислительно-восстановительные реакции, глубина протекания и скорость которых полностью контролиру­ются организмом с помощью ферментов, протекают по гетеролитическому механизму. В то же время в организме имеет место свободнорадикальное окисление-восстановление, которое при низкой интенсивности является метаболически нормальным. Свободные радикалы участвуют в процессах клеточного деления, обновления ядерных мембран и многих других важных процес­сах. Но это необходимо и полезно до тех пор, пока интенсивность образования радикалов и их концентрация в клетке не превы­шают определенной нормы.

Главным источником радикалов в организме является мо­лекулярный кислород, а в случае радиационного воздействия - вода. Молекула кислорода парамагнитна (разд. 12.2.5), так как она содержит два неспаренных электрона и представляет собой бирадикал . При полном восстановлении молекула кислорода, принимая четыре электрона и четыре протона, превращает­ся в две молекулы воды. При неполном восстановлении кисло­рода образуются различные его активные (токсичные) формы. К активным формам кислорода относятся:

Под действием света молекулярный кислород переходит в синглетное состояние, т. е. в синглетный кислород , в котором все электроны спарены. Синглетный кислород неустойчив, пе­риод полураспада - 45 мин. Он более активен в реакциях окис­ления, чем молекулярный кислород. Окислительная способность различных активных форм кислорода возрастает в следующей последовательности:

В организме токсичные кислородсодержащие радикалы воз­никают при взаимодействии О2 с металлопротеинами (гемогло­бин, цитохромы), содержащими катионы металлов в низших степенях окисления (Fe2+, Cu⁺, Мn²⁺), получая от них электрон:

При радиационном воздействии на организм его вода подвер­гается радиолизу. При радиолизе воды ее молекула распадается с образованием различных радикальных частиц в зависимости от энергии облучения. При небольшой энергии облучения (Е1) мо­лекула воды, переходя в возбужденное состояние , затем распадается на два радикала и Эти активные частицы могут образовывать другие активные формы кислорода.

При большой энергии облучения (Е₂) происходит настолько сильное возбуждение молекулы воды, что она распадается на быстрый электрон и катион-радикал воды ( I. Быстрый электрон через 10^-11 с подвергается гидратации, попадая в микропо­лости водных ассоциатов (разд. 6.1). Он может взаимодействовать дальше с образованием новых радикальных частиц (например, |. Катион-радикал воды, взаимодействуя с молекулой воды, образует гидроксидный радикал -ОН и гидроксоний-ион Н₃0⁺. Таким обра­зом, в результате радиолиза воды в организме происходит увели­чение кислотности (закисление) среды (ацидоз - разд. 8.5) и обра­зуются активные формы кислорода. При энергии облучения около 100 эВ и при комнатной температуре при взаимодействии с одним квантом распадается от 6 до 8 молекул Н2О. Возникающие при радиолизе атомарный водород Н- и гидратированный электрон яв­ляются чрезвычайно активными частицами с сильными восстано­вительными свойствами. Благодаря этому они легче взаимодейст­вуют с кислородом, образуя его активные формы. Возрастание концентрации свободных радикалов способствует процессам свободнорадикального окисления-восстановления.

Образовавшиеся радикальные частицы эффективно атакуют биосубстрат прежде всего по пространственно доступным и ма­лополярным связям С—Н. Возникающая при этом радикальная частица, в которой неспаренный электрон находится у атома углерода субстрата, дальше легко окисляется активными фор­мами кислорода вплоть до разрыва связей С—С, что приводит к глубокой деструкции молекул биосубстрата. По такой схеме происходит так называемое пероксидное окисление липидов.

Активные формы кислорода, прежде всего радикал , эф­фективно атакуют связи С—Н, особенно в аллильном положении у ненасыщенных жирных кислот, так как при этом образуется аллил-радикал, стабилизированный за счет взаимодействия неспаренного электрона с -электронами соседней двойной связи:

Таким образом происходит зарождение цепи (разд. 5.4), т. е. I этап свободнорадикального окисления. Развитие цепи (II этап) включает окисление аллилрадикалов молекулярным кислоро­дом с возникновением алкилпероксидных радикалов:

При взаимодействии этих радикалов с молекулами воды об­разуются неустойчивые гидропероксиды и снова возникают ак­тивные гидроксидные радикалы. Накопление радикалов в систе­ме способствует дальнейшему развитию цепи окисления и резко­му возрастанию скорости процесса.

Обрыв цепи (III этап) происходит, когда радикалы взаимо­действуют, не образуя новых радикалов. Например, при столк­новении гидропероксида с супероксидным анион-радикалом про­исходит его окисление с разрывом связей С—С и образованием двух карбоновых кислот:

Скорость свободнорадикального окисления определяется концен­трацией радикалов и практически не регулируется организмом.

При экстремальных и патогенных воздействиях на организм образование кислородных радикалов в клетках и тканях резко усиливается, так как интенсифицируются окислительное фосфо-рилирование и гидроксилирование ксенобиотиков. Происходящее при этом с участием различных цитохромов окисление может спо­собствовать появлению в организме активных форм кислорода и тем самым - свободнорадикальному окислению. Усиление свобод­норадикального окисления вызывают разнообразные физические факторы: радиоактивное, ультрафиолетовое и лазерное излучение, шум, вибрация, а также различные болезни: простудные и легочные заболевания, атеросклероз, инфаркт миокарда, инсульт мозга, остеохондроз, диабет, язва желудка, туберкулез, злокаче­ственные образования. Возможно, что свободнорадикальное окис­ление в перечисленных случаях является не только следствием этих болезней, но и одной из причин их возникновения.

В организме свободнорадикальное окисление сдерживается многокомпонентной антиоксидантной буферной системой, кото­рая, превращая радикалы в малоактивные соединения, преры­вает цепные реакции. Эти функции осуществляют:

- антиоксидантные и антиперекисные ферменты: суперок-сиддисмутаза, каталаза, глутатионпероксидаза;

антиоксиданты - органические соединения с выраженными восстановительными свойствами: различные тиолы (глутатион, цистеин, дегидролипоат), аскорбиновая кислота (витамин С), |3-каро-тин, а также витамины Е (токоферол), К, Р и стероидные гормоны.

Ферментные защитные средства. Аэробные клетки защищают себя от вредного воздействия супероксидного анион-радикала с помощью ферментов супероксиддисмутаз, содержащих катионы меди или марганца которые катализируют превращения супероксидного анион-ради­кала в пероксид водорода:

Снижение концентрации токсичного пероксида водорода в клет­ках осуществляется с помощью ферментов каталазы и глутатион-пероксидазы. Каталаза - железосодержащий фермент - эффектив­но способствует распаду пероксида водорода на воду и кислород:

Глутатионпероксидаза катализирует взаимодействие пероксида водорода и гидропероксидных радикалов с довольно сильным вос­становителем глутатионом (G—SH), являющимся трипептидом, содержащим тиольную группу аминокислоты цистеина:

Регенерация глутатиона осуществляется восстановлением с помощью НАДФ(Н):

Антиоксиданты. Все антиоксиданты, взаимодействуя с актив­ными формами кислорода, прерывают свободнорадикальное окис­ление и переходят в окисленные формы, которые под действием соответствующих ферментов опять превращаются в восстановленные формы.

Антиоксиданты - вещества, обратимо реагирующие со свободными радикалами и окислителями и предохраняю­щие от их воздействия жизненно важные метаболиты.

Эффективными антиоксидантами являются тиолы R—SH, т. е. соединения, содержащие тиольную группу, которая за счет атома серы со степенью окисления -2 легко окисляется, образуя дисульфиды R—S—S—R (тиол-дисульфидная система):

За счет сильных восстановительных свойств тиолы (табл. 9.2) являются эффективными ловушками радикалов, и поэтому на их основе созданы радиопротекторы - средства, защищающие орга­низм от радиации, например синтетические препараты унитиол (2,3-димеркаптопропансульфонат натрия) и N-ацетилцистеин.

Тиолы вносят значительный вклад в буферную емкость ан-тиоксидантной системы. Восстановление дисульфидов в тиолы в организме происходит под действием восстановленных форм пиридин-протеинов, содержащих НАД(Н) и НАДФ(Н).

Другим эффективным антиоксидантным средством является ас­корбиновая кислота (витамин С), которая под действием окисли­телей, особенно радикалов, легко отдает два электрона и два катио­на водорода, переходя при этом в дегидроаскорбиновую кислоту:

Вероятно, именно за счет антиоксидантной активности прием витамина С в повышенных дозах способствует предотвращению простудных и других заболеваний или снижению остроты их протекания.

В отличие от аскорбиновой кислоты, которая хорошо раство­рима в воде, другие природные антиоксиданты (B-каротин, вита­мины А, Е, К, Р) хорошо растворимы в жирах. Антиоксидантные свойства этих веществ в основном определяются наличием в них легко окисляемых группировок. Витамин А и B-каротин со­держат длинную углеводородную систему сопряженных двойных связей, витамин Е (токоферол) - хиноидную группировку, вита­мин К - нафтохиноидную группировку, а витамин Р - резорци­новую группировку. Все эти вещества являются эффективными ловушками свободных радикалов в организме. С помощью лекар­ственных и профилактических средств на основе антиоксидантов достигается увеличение сопротивляемости организма свободнора-дикальному окислению. Таким образом, хотя организм не мо­жет эффективно контролировать развитие и скорость свободно-радикального окисления, но с помощью антиоксидантной бу­ферной системы достигается сдерживание этого процесса.

Увеличение в клетке (ткани) концентрации свободных ради­калов или пероксидов приводит к снижению буферной емкости антиоксидантной системы, что создает реальную угрозу воздейст­вия этих окислителей на жизненно важные субстраты и развития так называемого «окислительного стресса». Для оценки буфер­ной емкости антиоксидантной системы предложено (В. В. Соко­ловский, 1984) использовать коэффициент тиол-дисульфидного соотношения крови. Буферная емкость антиоксидантной системы будет тем больше, чем больше в системе содержится тиолов. Контроль за тиол-дисульфидным соотношением дает более полнук информацию об уровне активности антиоксидантной системы, чем другие показатели: содержание витамина А, витамина С, витамина Е или активность супероксиддисмутазы. Этот показа­тель позволяет судить о состоянии одного из важных звеньев биохимического механизма неспецифической реакции организма на экстремальные воздействия.