Механизмы свободно-радикального некробиоза

Частично восстановленные (активные) кислородсодержащие радикалы (АКР] — это высокотоксичные химически реакционноспо-собные молекулы с нечетным количеством электронов, способные повреждать клеточные мембраны, хроматин и белки. Отнимая элект­роны у различных органических молекул, например, арахидоновой кислоты, свободные кислородные радикалы могут превратить их в перекисные соединения с неспаренными электронами и запустить своего рода цепные реакции внутри клетки.

АКР — физиологические метаболиты и образуются в клетке при нормальном обмене веществ. Они вырабатываются в ЭПР ходе работы микросомальной окислительной системы цитохрома Р₄₅₀, при функционировании митохондрий с участием так называемого уби-семихинона, в лизосомах и пероксисомах под действием мембранных НАДФН-зависимых оксидаз. Многие важные процессы, например генерация конечных продуктов пуринового обмена и распад дофамина, обязательно со­провождаются выработкой АКР. В ряде случаев рецепторно-опосредованная стимуляция клеток сопровождается усилением продукции АКР. Многофункциональный паракринный сигнал — окись азота — сама является свободным радикалом и усиливает образование дру­гих АКР (см. выше). Наконец, умирающие клет­ки аутоокисляются и могут воздействовать АКР на живых соседей.

Адренэргическая стимуляция физиологи­чески приводит к усилению, а холинэргичес-кая — к ослаблению продукции эндогенных АКР, противоположно изменяет редокс-потен-циал клетки и создает условия для пермиссив-ного эффекта, когда один и гот же сигнал вызывает различный ответ клеток, в зависимости от их редокс-состояния. Так например, фактор некроза опухолей ФНОа вызывает либо гибель клеток, либо их пролиферацию, так как зависимый от него фактор транскрипции NF-kp срабатывает только при определен­ном сдвиге окислительного потенциала клеток -мишеней.

АКР способны взаимодействовать с суль-фгидрильными группами в составе белков, например, с остатками цистеина в их активных центрах, изменяя биологические функции фер­ментов и рецепторов. Благодаря этому АКР могут изменять активность факторов транскрипции и тирозиновых протеинкиназ, влиять на скорость связывания цитоплазматического кальция с кальмодулином и на активность кальциевой АТФазы, на чем и основана их способность модулировать клеточные ответы на различные сигналы. Редокс-состояние клетки, по А. Я. Кульбергу, играет важную роль в управлении фазами клеточного цикла. Редокс-статус клеток находится, как и все механизмы реактивности, под генетическим контролем. Ген bcl-2, ранее упоминавшийся, как блокатор повышения цитоплазматичекой концентрации кальция, кодирует белок, присутствующий в местах основной продукции АКР и понижаю­щий их выработку. Белок АРО-1, известный как индуктор клеточной гибели, наоборот, облада­ет прооксидантным действием

Осуществляя защитные реакции, клетки, особенно, специализированные мезенхималь-ные элементы — макрофаги и гранулоциты — могут многократно усиливать продукцию АКР. При фагоцитозе происходит так называемый «метаболический взрыв» в фагоцитах, то есть многократное усиление потребления энергии фагоцитирующей клеткой (Балдридж, Герард; 1933). Значительная часть этой энергии расхо­дуется НАДФН-зависимыми оксидазами на образование супероксидного радикала:

АКР осуществляют бактерицидный (цито-цидный) эффект в фаголизосомах. Так как, в отличие от лизосомальных гидролаз, АКР спо­собны разрушать неповрежденные клеточные стенки бактерий и интактные мембраны кле­ток, кислородзависимый механизм заверша­ющей стадии фагоцитоза, по современным представлениям (Бабёр, 1982), намного более важен, чем гидролитический.

Миелопероксидаза фагоцитов (в частно­сти, нейтрофилов и моноцитов крови) превра­щает перекись водорода и ионы хлора в вь:-сокобактерицидныйгипохлорит-анион:

Н₂О₂ + СГ - СЮ' + Н₂О

АКР также секретируются вовне в процес­се экзоцитоза, в рассчете на их способное!:-: разрушать причинный агент первичной аль­терации и, путем перекисного окисления мем­бран соседних клеток, осуществляют вторич­ное самоповреждение и способствуют выра­ботке эйкозаноидных медиаторов воспаления Врачи, с давних времен применяющие для де­зинфекции йод, перекись водорода, щелок и хлорную известь — фактически, воспроизво­дят эволюционно сложившийся естественны!: бактерицидный механизм усиленной генера­ции таких соединений, как Н,О₂, ОН, гипо.х-порит и оксийодиды, доступный любому фа оциту! Через АКР опосредуют свое действие шор некроза опухолей и другие агенты, осу­ществляющие цитотоксические эффекты.

Поистине, индукторы цепных реакций АКР — это атомное оружие клеток в борьбе с носителями чужеродной генетической инфор­мации, проникающей в организм. Но длительное и значительное увеличение продукции

АКР ведет к самоповреждению клеток.

Важнейший из АКР—супероксидный анион О^-2,. Он образуется при неполном одноэлектронном восстановлении кислорода в ходе адтохондриального аутоокисления, а также в микросомах из О₂, под влиянием ксантииоксидазы, цитохрома Р450 и других оксидаз, как показано выше.

Фермент супероксиддисмутаза превращается в О₂, в перекись водорода, используя протоныНАДФН:

О₂ +О+ 2Н = Н₂0₂ + 0₂

Тот же процесс протекает и спонтанно, но медленнее.

Перекись водорода возникает не только из супероксида, но и из воды и кислорода под действием каталазы в пероксисомах.

В присутствии меди или двухвалентного железа, образуемого при действии супероксида на Fe³, перекись водорода распадается с образованием гидроксильного радикала (реакция Фентона):

Fe'² + Н₂О₂ - Fe'³ + ОН' + НО'

Гидроксилы формируются и при действии супероксида на перекись водорода (реакция Хабера-Вейсса);

Н₂0₂ + О, = Н + ОН' +О,

Радиолиз и фотолиз воды служат важным дополнительным источником гидроксилов при облучении клеток. При определенных ус­ловиях образуются и другие АКР, в частности, синглетпый кислород и оксигалиды. (гипох-лорит и оксиЙодид). Они служат главными микробицидными агентами фагоцитов.

Оксид азота, сам относящийся к АКР, реагируя с О₂ дает супероксидный анион и перекись водорода. Окислительный стресс, вызванный избытком N0, участвует в гибели нейронов при инсульте.

Основными направлениями повреждающего действия АКР являются:

Перекисное окисление липидов плазмати­ческой и внутриклеточных мембран, приводящее к освобождению медиаторов воспале­ния и токсинов (например, малональдегида, эпоксидов, эндопероксидов)

Сшивка мембранных, внеклеточных и внутриклеточных липидов и белков через сульфгидрильные группы с инактивацией ферментов и рецепторов и образованием сульфид-радикалов, дисульфидов и сульфоновых кислот Процесс ведет к формированию белковых агрегатов (например, при катарактах хруста­лика).

Повреждение ДНК, остановка ее репликации и мутагенез, что может вызвать терато-генный или канцерогенный, а также цитоста-тический эффект,

Особенно патогенно цепное перекисное окисление мембранных липидов,

Под воздействием АКР формируется ини­циирующий радикал липида:

Липидный радикал и кислород дают липо-перекись:

L+ О₂ = LO;

Липоперекись атакует соседнюю молеку­лу липида. формируя гидроперекись липида и новый липидный радикал и т.д.:

LO₂ + l h = looh + l

Двухвалентное железо может превращать гидроперекиси липидов в алкоксильные свободные радикалы в молярном соотношении 1:2, разветвляя цепную реакцию на два ради-калообразующих пути:

LOOH + Fe^-2 = OH + Fe^-3 + LO

Принято считать, что АКР — универсальные участники любых видов клеточной гибели, по крайней мере, на ее конечных этапах, когда происходит деструкция внутриклеточных мембран и освобождение АКР из компар-тментов клетки.

Однако, их относительный вклад при разных типах повреждения клеток неодинаков. При гипоксическом некробиозе АКР, хотя л образуются, например, вследствие кальций-зависимого повреждения митохондрий, но количество их не так велико, чтобы считать АКР-опосредованную альтерацию главным механизмом гипоксической смерти клетки.

Правда, необходимо, вслед за Котраном и Кумаром (1 994) отметить, что если в ходе раз­вития гипоксии произошло восстановление притока кислорода к некробиотическим клет­кам, поврежденные митохондрии начинают вырабатывать АКР в значительных количествах. Именно это лежит в основе так называемого реперфузионного повреждения, которое хорошо известно кардиологам. Кардиоми-оциты гибнут не на высоте ишемии, а после полного или частичного восстановления коронарного кровоснабжения, будучи не в состоянии устоять перед окислительным ударом АКР. Реперфузионные нарушения диктуют необходимость комплексного лечения при остром инфаркте миокарда: врач не ограни­чивается мерами, направленными на лидирование тромба и вазодилатацию, а комбинирует их с введением средств, эффективных при тканевой гипоксии.

Разрушающее действие АКР является ранним и мощным и выходит на первый план в механизмах некробиоза в ряде специальных случаев, когда гибель клеток имеет определен­ную этиологию.

Прежде всего, это ситуации, когда резко ускоряется собственная продукция АКР — воспаление, инфекционное повреждение клеток, иммунопатологический цитолиз, разрушение опухолевых, микробных и зараженных вирусами клеток иммунной системой, трав матический шок и синдром длительного раз­давливания, а также другие состояния с актив­ным распадом пуринов.

Затем, это ситуации, когда повреждающий агент сам превращает воду и органические молекулы в свободные радикалы (радиацион­ное поражение клеток, действие иприта и люизита, отравление кислородом и озоном, включая гипербарическую оксигенацию, ге-мохроматоз и отравление двухвалентным же-

Наконец, это химическое повреждение клеток, при котором свободные радикалы фор­мируются из молекул токсина или лекарства при их метаболизме (например, отравление четыреххдористым углеродом).

АКР особенно токсичны для клеток, богатых ненасыщенными липидами.

Генерация АКР всегда участвует в запрог­раммированной гибели клеток — вызванной самыми разными причинами (например, в апоптозе лимфоцитов под действием как глю-кокортикоидов, так и вируса СПИД а). Пути патогенного действия АКР представлены на рисунке 37.

Легко заметить, что при всех вышеназван­ных процессах, когда гибель клетки идет с активным участием свободных радикалов от­сутствует первичная гипоксия или она не является глубокой. Показано что высокие кон­центрации АКР могут индуцировать некробиоз, но средние и малые концентрации тех же АКР (например, перекиси водорода) способны включать программу апоптоза. Проокси-дант 2, З-диметокси-1, 4-нафтолхинон в ма­лых концентрациях стимулирует пролифера­цию клеток, в средних — запускает апоптоз, а в высоких — вызывает некроз.

По-видимому, свободнорадикальная гибель клетки, до известной степени, альтернативна описанному выше гипоксическому некробиозу, хотя имеет с ним много общего, включая почти идентичные финальные стадии.

Как и в случае с кальцием, грань между стимуляцией и повреждением — временная и количественная, и судьба клетки при активации АКР — это вопрос баланса. Таким обра зом, равновесие между генерацией и инактивацией АКР в клетке может устанавливаться на разном уровне — и это фундаментальная неспецифическая составляющая клеточной реактивности, модулирующая клеточные ответы на разнообразные конкретные стимулы. Биорегуляторы, перечисленные выше в таблице 4, все без исключения так или иначе затрагивают баланс прооксидантных и антиок-сидантных систем клегтем..