Активные формы кислорода: свойства и механизмы образования

1.2. Активные формы кислорода: свойства и механизмы образования

Обязательным атрибутом нормальной аэробной жизни является генерация АФК – прооксидантов. Функционирование и развитие клеток не могло быть возможным без существования защитных систем, к которым относиться специализированные ферментативные и неферментативные актиоксиданты [Меньщикова c соавт, 2006]. Постоянное образование прооксидантов уравновешенно их дезактивацией антиоксидантами, поэтому для поддержания гомеостаза необходимо непрерывная генерация антиоксидантной способности. Отсутствие или сбой этой непрерывности приводят к развитию окислительного стресса, к возникновению и накоплении окислительных повреждений, что сопровождает ряд физиологических процессов – таких как воспаление, реперфузионное поражение тканей, бронхо-легочное заболевание, старение и др.

В живых организмах существует два разных источника АФК: радикальные окислительные реакции и металопротеиновые ферментативные системы. В обоих случаях молекулярный кислород выступает акцептором электронов. Наличие у молекулярного кислорода двух неспаренных электронов существенно ограничивает его реакционную способность. В процессе эволюции у живых организмов выработались специальные ферментативные системы, которые восстанавливают молекулярный кислород, перенося на него один, два или четыре электрона. Главные ферменты, которые осуществляют метаболизм кислорода в организме млекопитающих – оксидазы и оксигеназы. В активных центрах этих ферментов кислород превращается в этих продуктах и не выходит в окружающую среду, но при этом они не подвергают опасности органические молекулы, а опасными являются активные формы кислорода, которые образуются как побочные вещества в ходе этих превращений [Меньщикова c соавт, 2006].

Главные АФК: супероксидный радикал , перекись водорода , гидроксильный радикал , синглетный кислород , гипогалоиды алкоксильный радикал и перекисный радикал ^.

Характеристика основных форм АФК

Супероксидный радикал. Присоединение одного электрона к молекуле кислорода в основном состоянии приводит к образованию супероксидного анион радикала (), который при взаимодействии с протоном переходит в гидроперекисный радикал () [Бурлакова с соавт., 1992]. В живых системах супероксидный анион является промежуточным продуктом многих биохимических реакций – окисление тиолов, флавинов, хинонов, катехоламинов, птеринов, ксонобиотиков. Но основные источники его образование – ферментативные системы: NADFH-оксидаза фагоцитирующих клеток, ксантиноксидаза, митохондриальная цитохром-с-оксидаза и микросомальные монооксигеназы. При активации фагоцитов в очаге воспаления генерация  служит пусковым звеном целого каскада реакций, приводящих к образованию других форм АФК. Для регуляции уровня  в клетках служит высокоспецифичный фермент – антиоксидант супероксиддисмутаза, которая существенно ускоряет реакции дисмутации  до перекиси водорода [Зенков, Меньщикова, 2004].

Перекись водорода. Присоединение двух электронов к молекуле кислорода или одного электрона к аниону  сопровождается образованием двухзарядного аниона , который в свободном состоянии не существует, присоединяя протоны он переходит в гидроперекисный анион  [Brune, Messmer, 1995]. Перекись водорода – слабый окислитель, в отсутствии каталазы и ионов металлов переменной валетности она относительно стабильна и может мигрировать в клетке и ткани. В живых организмах источниками  служат ферментативные реакции с оксидазами, реакция дисмутации, катализируемая SOD [Зенков, Меньщикова, 2004].

Клетки млекопитащих достаточно устойчивы к воздействию , благодаря наличию глутатионпероксидазной и каталазной ферментативных систем, первая из которых эффективно работает при малых концентрациях перекиси, вторая – при высоких.

Гипогалоиды. Образуются главным образом в результате ферментативной реакции перекиси водорода с галидами, катализируемой миелопероксидазой, пероксидазой эозинофилов, которые различаются по структуре и субстратной специфичности. Основным продуктом миелопероксидазы является , пероксидаза эозинофилов катализирует образование и. Гипогалоиды инактивируют -антитрипсин, переводят коллагеназу в активную форму Б, окисляют лейкотриены, иммуноглобулины, альбумин, церулоплазмин, трансферрин. Вызывают структурную модификацию и инактивацию ,-SOD могут как индуцировать, так и ингибировать процессы ПОЛ.

Гидроксильный радикал является наиболее реакционноспособным АФК, образующимся в биологических системах, он может разрывать любую углеродную связь [Андреев, 1999]. Образование ОН-радикала показано в реакциях окисления арахидоновой кислоты, в реакции Габера-Вейса, при микросамальном окислении, в реакциях с флавиновыми ферментами и убихиноном, но основным источником OH-радикалов в биологических системах служит реакция Фентона с участием металлов переменной валентности, главным образом :

Обратное восстановление  возможно в реакции с :

а также при взаимодействии с аскорбиновой кислотой, глутатионом, цистеином и другими окисляющимися соединениями [Зенков, Меньщикова, 2004].

Синглетный кислород. В кислороде внутримолекулярно происходит перестройка электронов и возникает более высокий энергетический уровень [Владимиров, 1998]. Источником синглетного кислорода являются реакции фотосенсибилизированного окисления биологических субстратов, при не фотохимических реакциях не ферментативная дисмутация супероксидных радикалов, протекающие с образованием перекиси водорода.  обладает высокой химической активностью, особенно по отношению к молекулам, содержащим участки повышенной электронной плотности.

Алкоксильные и перекисные радикалы. При развитии радикальных окислительных процессов взаимодействие органических радикалов молекулярным кислородом приводят к образованию перекисных радикалов, которые с алкоксильными радикалами  могут образовываться в реакциях разложения перекиси в присутствии ионов металлов переменной валентности. По физико-химическим свойствам алкоксильные и перекисные радикалы это очень гетерогенный класс соединений, включающий высокореакционный OH-радикал и мало активные радикалы фенольных антиоксидантов. Взаимодействие и  с углеводородами, приводящие к образованию и  - это наиболее медленная стадия развития радикальных окислительных процессов [Владимиров, 1998].

Биологический эффект и  реализуется через повреждающее действие на белки, ферменты, нуклеиновые кислоты, через продукты ПОЛ – органические перекиси, альдегиды, кетоны, эпоксиды, которые высокотоксичны для клеток. Ингибиторы – аскорбиновая кислота, мочевая кислота, убихинон, селен, -токоферол [Андреев, 1999].

Все формы АФК обладают высокой цитотоксичностью для клеток и клеточных образований. Можно выделить четыре мишени окислительной цитотоксической атаки АФК: индукция процессов ПОЛ в биологических мембранах, повреждение мембрансвязанных белков, инактивация ферментов и повреждение ДНК клеток.

Аминокислоты, из которых состоят белки, подвержены окислительному действию АФК, что приводит к трем вариантам изменения физико-химических свойств белков: фрагментации, агрегации и повышению чувствительности к протеолизу. В первую очередь воздействию кислородных радикалов подвергаются остатки пролина гистидина и аргинина. Окислительное повреждение приводит к денатурации и агрегации белков (хрусталика глаза). Агрегация белков связана со способностью АФК образовывать межмолекулярные сшивки. В результате денатурации белков нарушается их конформация, и они становятся более уязвимыми к действию протеолитических ферментов [Зенков, Меньщикова, 2004].

Окислению АФК в первую очередь подвергаются SН-содержащие группы белков; их окисление приводит к снижению содержания восстановленных и повышению уровня окисленных SН-групп, поэтому соотношение окисленных и восстановленных SН-групп белков может быть использовано в качестве показателя развития окислительного стресса. Наиболее подвержена окислительному стрессу Са²⁺-АТФаза, ее повреждение приводит к нарушению транспорта кальция через мембрану [Владимиров, 1999].

Карбонильные группы и гидроперекиси, образующиеся при окислении белков, также является показателем свободнорадикального окисления.

Окисление липидных молекул приводит к необратимому изменению мембранных структур, нарушению их проницаемостью для ионов. Наиболее подвержены перекисному окислению входящие в состав мембран ненасыщенные жирные кислоты: линолевая, арахидоновая, докозагексаеновая [Козлов, 2006]. Одним из важнейших следствий избыточного образования АФК является избыточная и неконтролируемая в этих условиях активация процессов ПОЛ. Процессы ПОЛ можно условно подразделить на три последовательных этапа, или фазы развития: процессы зарождения цепей, процессы развития цепных реакций и обрыв цепей. На стадии зарождения цепей под действием свободных радикалов кислорода, ионизирующей радиации, ультрафиолетового облучения и ряда химических веществ, относящихся к прооксидантам, происходит образование органических радикалов (R).

На следующей стадии радикал быстро взаимодействует с кислородом, который выступает в качестве акцептора электронов. В результате происходит образование пероксирадикала (RО₂), который атакует ненасыщенные липиды. Возникновение в результате этой реакции органических перекисей и нового радикала (R) способствует продолжению окислительных реакций, приобретающих цепной характер:

R + О₂RО₂

Органические перекиси (RООН) включаются в процесс генерации радикалов, в присутствии металлов переменной валентности (меди, кобальта, марганца, железа) происходит образование реакционного алкоксильного радикала:

Часть образующихся органических радикалов взаимодействует друг с другом, при этом происходит образование неактивных молекул, что обрывает ход реакций свободнорадикального окисления. Гидроперекиси липидов способны подвергаться нерадикальным окислительным превращениям, что приводит к образованию первичных (диеновые коньюгаты, диальдегиды), промежуточных (основания Шиффа) и конечных продуктов ПОЛ, а также спиртов, кетонов и альдегидов. Обрыв цепных реакций перекисного окисления возможен при взаимодействии радикалов со специализированными ферментными системами, а также с рядом низкомолекулярных веществ, совокупно формирующих биохимический компонент антиоксидантной системы организма [Меньщикова с соавт., 2006].

Одним из конечных продуктов ПОЛ является насыщенные низкомолекулярные углеводороды (этан, гексан, пентан), которые в нормальных условиях переходят в газообразное состояние.

Идентифицировано более 20 типов окислительных повреждений молекул нуклеиновых кислот: различные повреждение оснований, возникновение одно- и двух цепочечных разрывов, сшивок и хромосомных аберраций. Прямое действие и на ДНК не вызывает повреждения оснований или образования сшивок между основаниями. Основным повреждающим агентом выступает OH-радикал, который эффективно взаимодействует с дезоксирибозой, пуриновыми и пиримидиновыми основаниями. Синглетный кислород более специфично, чем , взаимодействует с гуанином. Перексинитрит вызывает нитрозилирование и дезаминирование аминогрупп в основаниях ДНК, при этом 8-нитрогуанин является индикатором повреждающего действия пероксинитрита. В условиях окислительного стресса в наибольшей степени повреждается ДНК митохондрий, что связано с низкой активностью систем репарации и низким содержание гистоновых белков, оказывающие защитное действие [Зенков, Менщикова, Шергин, 1993].