Статьи

Статьи

Диетология
Микроэлементы
Знания и наука
Здоровье
Антиоксидантный барьер

Свободные радикалы это атомы или частицы, способные к самостоятельному существованию, которые имеют один или больше неспаренных электронов [Г. Бартош: Второе лицо кислорода, PWN, Варшава 1995]. Благодаря этому радикалы неустойчивы, но очень активны химически. В живых организмах могут они возникать в реакциях ферментов или спонтанно.

До 70-ых годов в медицинских публикациях не было много сообщений о роли и значении свободных радикалов. Изменили эту ситуацию результаты исследований, опубликованные:

  • McCoda и Fridovitcha [Mc Cord, J. M. Fridowitch, J. Biol. Chem. 244, 6049, 1969] указывают на существование почти во всех клетках млекопитающих супероксиддисмутазы (SOD; EC 1.15.1.1), фермента, который катализируют реакцию дисмутации супероксидного аниона;
  • Babiora [B. M. Babior, J. Clin, Inwest. 52, 741, 1973], который показал связь функции нейтрофилов с генерацией свободных радикалов;
  • Grangera [D. N. Granger, Gastroenterology 81, 22, 1981], который показал, что многие болезни связаны с нехваткой равновесия между механизмами, побуждающими генерацию свободных радикалов, и инактивирующими системами.

К реактивным формам кислорода (РФК) относятся: синглетный кислород, озон, гидроксильный радикал, супероксидный анион, перекись водорода, радикал водорода кислорода, оксид азота, диоксид азота, азотная кислота и ее анион.

источник РФК:

  1. Нейтрофилы отвечают за локализацию воспалительного процесса в организме, распознавание, уничтожение и переваривание нарушителя. Нейтрофилы существуют в двух системах уничтожения: независимо-кислородный и кислородный, который генерирует O2-, OH, ONOO-. Реактивные формы кислорода, освобожденные из фагоцитарных клеток могут вызвать повреждение других клеток.
  2. Дыхательная цепь - несколько процентов использованного митохондриями кислорода поддается только частичной редукции, создавая O2-. Оценивается, что ежедневно в нормальных метаболических условиях каждая клетка человека подвергнута экспозиции 1010 частиц O2-. Для человека с массой около 70 кг это означает возникновение 0,15 моли O2- ежедневно.
  3. Оксидазы - ферменты, катализирующие реакцию, во время которых генерируются РФК, в т.ч. оксидаза моноамина (MAO) из оболочек эндоплазматического ретикулума, окисляющая ксенобиотики.
  4. Аутооксидация связей эндо- и экзогенных - напр. аутооксидация адреналина генерирует РФК.
  5. pH снижение кислотности ускоряет освобождение связанных с белками металлов переходных групп (Cu+2, Fe+2+), что нарушает реакции дыхательной цепи в пользу генерации O2-. Снижение pH в клетках с нехваткой кислорода увеличивает шанс выживания - парадокс pH).
  6. Металлы переходных групп - катионы железа, меди и марганца могут перемещать электрон на биологически важные макрочастицы.
  7. Синтез эйкозаноидов - фосфолипаза A2 освобождает из фосфолипидов арахидоновую кислоту, которая через цикло- и липоксигеназы преобразуется в простагландины, лейкотриены, тромбоксаны и простациклины. Во всех этих процессах генерируются РФК. РФКактивируют фосфолипазу A2.

Пероксид водорода, который несмотря на то, что не является свободным радикалом, играет важную роль в окислительных процессах возникновения свободных радикалов (схема 1). (Из-за большой реактивности радикалов их периоды половинчатого распада очень короткий, напр. O2- w 37oC – 1*10-6 s, OH w 37oC – 1*10-9 s).

Антиоксидантный барьер - схема 1

Пероксид водорода возникает в результате редукции молекулярного кислорода или в результате дисмутации супероксидного радикала через СОД. Восстанавливается в ходе катализирования водой и O2. Время половинчатого распада зависит от активности катализа и глутатионной пероксидазы, поэтому его продолжительность настолько долго, что может проникать через клеточные мембраны и "блуждать" по всему организму.

Большую опасность для организма представляет гидроксильный радикал, так как реагирует с каждой встреченной органической частицей. Эти реакции могут иметь разные механизмы:

  • отдача атома: OH + HR → H2O + R
  • присоединения радикала: OH + R – CH = CH – R → R – CHOH – C H – R
  • присоединение радикалов: R + R → R – R

Общим признаком этих реакций является поддержка цепи реакции свободных радикалов.

Главным источником гидроксильных радикалов является реакция Фентона (схема 1).

H2O2 + Fe+2 → OH• + OH- + Fe+3

Другим источником гидроксильных радикалов является реакция Габера-Вейса, в которой катализаторами являются катионы железа и меди.

O2- + H2O2 → O2 + OH + OH-

Супероксидный анион O2- возникает в результате одноэлектронной редукции молекулярного кислорода. Является конечным или промежуточным продуктом возраста ферментативных реакций. Возникает в основном в дыхательной цепи (схема 2), входе ферментативных изменений, катализируемых в процессе оксидоредуктазы (ксантиноксидазы, альдегидной, дигидрооротатной, диаминной оксидазы, оксидоредуктазы NADPH, то есть цитохрома P- 450, миелопероксидазы лейкоцитов, самоокисления редуцированных форм биохимических соединений (флавина, хиноны нуклеотидов, ароматических аминокислот, птеридины, ферредоксина, тиоловых соединений, глутатиона, адреналина, допамины).

Производства энергии и свободных радикалов - схема 2

Радикал оксида азота возникает во процессе синтеза релаксационного фактора клеток эндотелия, то есть оксида азота из аргинина. В реакции с супероксидным анионом возникает неустойчивая перекись азота, которая подвергается гемолитическому распаду, создавая гидроксильный радикал.

Cвободно-радикальная теория старения опирается на эффективности реакции дыхательной цепи, производительность которой составляет около 40%. Из-за плохого питания и с течением лет ее эффективность становится ниже, результатом чего является увеличенная продукция супероксидных анионов O2-, которые сами инициируют цепь реакции свободных радикалов или из которых возникают гидроксильные радикалы. Питание, при котором организм не полечает достаточного количества витамина B и витамина K, влечет за собой расстройства, которые в свою очередь приводят подавлению реакции фосфорилирования дыхательной цепи определенных клеток. Похожие признаки имеют место при нехватке железа, которое является компонентом ферментов дыхательной цепи. Витамин K участвует в синтезе дыхательной цепи клеток печени. В печени, при использовании энергетических резервов, возникает большинство белков, в том числе протромбин - белок, имеющий большое значение для процессов свертывания крови.

Похожая ситуация происходит в случае недостатка витаминов B. Пеллагра и бери-бери являются результатом расстройств биологического окисления в тканях особенно чувствительных, к которым относится нервные клетки и клетки эпителий, а также желез внутреннего выделения.

В результате реакции свободных радикалов РФК с органическими соединениями возникают химические соединения неизвестной структуры и биохимических свойств, которые могут быть причиной возникновения многих патологий. Результаты их действия представляет следующая схема:

Реакция Габера-Вейса - схема 3

В эукариотических организмах существуют защитные механизмы, нейтрализующие разрушительное действие вездесущих РФК. Их заданием является непрерывное наблюдение за эффективностью отдельных элементов антиоксидантного барьера, то есть поддержание правильного гомеостаза про- и антиоксидантных процессов.

Отдельные элементы антиоксидантного барьера можно разделить на две группы:

  1. главные:
    • ферментативные: дисмутация супероксидная (CuZnSOD - цитозол, ядро, плазма, MnSOD - митохондрия), каталаза (FeCAT - пероксисома), глутатионпероксидаза(SeGPx - цитозол, митохондрия), трансфераза глутатиона (цитозол);
    • металлопротеины внеклеточные(Альбумина-Fe, Cu, Трансферрины-Fe, Церулоплазмин -Cu) и внутриклеточные (Феррити́н -Fe, Металлотионеин -Cu);
    • молекулярные: α-токоферол, β-каротин, аскорбиновая кислота, глутатион, убихинон, урат, карнозин, ансерин;
  2. вспомогательные:
    • ферментативные: дегидрогеназа глюкозо-6-фосфат, редуктаза, глутатион-дисульфидная;
    • молекулярный: билирубин, биливердин, цистеин, аденозин, гистидин, тиоктовая кислота, линоленовая кислота.

Все элементы антиоксидантного барьера говорят о ей способности защищаться перед разрушительным действием РФК (схема 4). В каждом из мест, где существует возможность возникновения РФК, присутствуют антиоксиданты. В ферментативных реакциях, в которых возникают РФК, главные продукты могут быть антиоксидантами, например, в реакции окисления ксантина в мочевую кислоту. Организм создал пространственные барьеры, ограничивая распространение реакции свободных радикалов через специфическое размещение всех элементов антиоксидантного барьера таким образом, чтобы дополнили друг друга. Если активность ферментативных элементов антиоксидантного барьера не достаточна, а других ее составляющих очень мало, остается защитное действие связей эндогенных, особенно витаминов: А, Е и C, а также флавоноидов.

Aнтиоксидантного барьера - схема 4

Витамин C, или кислота L-аскорбиновая является сильнейшим растворимым в воде антиоксидантом. Она нейтрализует действие РФК в биологических жидкостях, в крови и вне клеточной жидкости. Аскорбиновая кислота считается самым существенным гидрофильным антиоксидантом. Физиологически самым главным гидрофобным антиоксидантом, или липидной фазы является α-токоферол, то есть витамин E. Действие витаминов Е и C имеет синергистический характер. Аскорбат редуцирует радикал α-токоферольный, регенерируя витамин Е, сам создает аскорбиновый радикал, подвергающийся дальнейшей редукции до дегидроаскорбиновой кислоты. При участии глутатиона редуктазы дегидроаскорбиновой воспроизводит первичную форму витамина C.

Между витаминами Е и А происходит синергизм действия во время торможения микросомальной пероксидации в гепатоцитах. Витамин А является эффективным антиоксидантом в ситуациях хорошего обеспечения кислородом организма, однако в минутах гипоксии высокую антиоксидантную эффективность показывает витамин E. Witamina А предотвращает окисление липидных фракций плазмы и липидов цитоплазматических мембран. Перекисное окисление липидов ведет к повреждению клеточных мембран.

Скорость окисления липидов зависит от вида ткани, присутствия антиоксидантов и ионов металлов переходных групп и от концентрации кислорода. Проходит три следующих этапа: инициирование, распространение и прекращение. Процесс инициации является атакой радикала по отношению к третичному атому угля (связь C-H имеет низкую энергию диссоциации). Этот процесс может инициализироваться напр.: через радикал водорода кислорода, особенно при участии переходных металлов. Супероксидный анион не способен к инициации процесса окисления липидов, но является нерастворимым в липидной фазе. Радикалы с неспаренным электроном на атом угля входят в реакцию с кислородом, создавая радикалы перекисные, которые участвуют в дальнейших реакциях (реакции распространения), входя в реакцию с соседними молекулами ненасыщенных липидов (схема 5).

перекисного окисления липидов - схема 5

Ионы переходных металлов катализируют также распад липидных перекисей:

LOOH + Fe2+ → LO + OH-Fe3+

LOOH + Fe3+ → LOO + H+Fe2+

Этап распространения тормозится конкурирующим с ним этапом прекращения, который происходит между реактивными формами радикалов:

LOO + L1 OO → LOOL1 + O2

LOO + L1OO → LOOL1

L + L1 → L – L1

Эффектом этого процесса является возникновение липидов с разветвленными алифатическими цепями или белково-липидных комплексов. Распределение липидных перекисей ведет к возникновению многочисленных соединений, таких как насыщенные углеводороды (этан, пентан, гексан) и ненасыщенные, альдегиды (насыщенные и ненасыщенные, гидрокси альдегидов), диальдегиды (напр. малонового диальдегида - MDA). Некоторые из этих соединений могут быть причиной возникновения патологии или могут преобразовываться в другие потенциальные эндогенные токсины.

Особого внимания заслуживают Y-Дикетоны, которые могут вызывать "связь" липидов и белков. Связанные через MDA липиды найдены в мембранах клеток крови в серповидно-клеточной анемии. Как правило, окисление липидов приводит к деградации мембранных липидов, что может использоваться организмом как защитный механизм. У людей со злокачественными опухолями замечен, особенно во время метастазов, увеличенный уровень MDA как в сыворотке, так и в моче, что может указывать на повышенную защитную деятельность нейтрофилов.

Свободные радикалы приводят к возникновению чужих биохимических структур в организме. Исследования многих научных центров на свете направлены на определение степени повреждений нуклеиновых кислот (напр. обозначение 8 -гидрокси дезоксигуанозина) белков (обозначение битирозина) и жировых кислот (обозначение MDA, углеводородов, дикетонов и их метаболиты). Особенно интересным направлением исследований является поиск эндогенных токсин, возникающих в результате биохимических изменений, которым подвергаются продукты цепи реакции свободных радикалов.